L ời cám ơn
6. Bốc ục của luận án
1.2.4. Đất sườn tàn tích – tàn tích trên nền đá xâm nhập sâu
Ở khu vực nghiên cứu thường gặp đất á sét nặng, đôi chỗlà sét có lẫn ít dăm sạn màu nâu vàng, nâu nhạt, loang lổnâu đỏ. Trạng thái nửa cứng – dẻo cứng, kết cấu chặt vừa. Loại đất này có thểdùng để đắp đập đồng chất hoặc đắp khối thượng lưuđập nếu là đập nhiều khối. Loại đất nàykhông đắp lõi chống thấm được. Trị trung bình đặc trưng cơ lý của loại đất này có cấu trúc tựnhiên được trình bày ở Bảng 1.4.
Bảng 1.4. Trị trung bình các chỉ tiêu cơ lý của đất trên nền đá thâm nhập sâu
Lớp đấttrên nền đá thâm nhập sâu sét, sét pha màuLớp 1 xám vàng, nâu đỏ
Lớp 2
sét pha màu loang lổ lẫn ít dăm sạn Thành phần cỡ hạt, mm (%) >2 2 – 0,05 0,05- 0,005 <0,005 1,0 39,0 21,0 39,0 3,0 34,0 35,0 28,0 Độ ẩm tự nhiên, W (%) 23,0 24,0 Dung trọng tự nhiên, γ(g/cm3) 1,66 1,61 Dung trọng khô, γc (g/cm3) 1,35 1,30 Tỷ trọng, Δ 2,70 2,71 Hệ số rỗng, e 0,95 0,96 Độ bão hòa, G (%) 70,0 75,0 Độ ẩm giới hạn chảy, WL (%) 50 52 Độ ẩm giới hạn lăn, WP (%) 32 38 Chỉ số dẻo, IP (%) 18 14 Độ sệt, IL 0 0 Cường độ chống cắt φ (độ) C (kG/cm2) Thiên nhiên φC 27 0,42 25 0,41 Bão hòa φ C 24 0,31 22 0,30 Hệ số thấm (cm/s) 1.10-4 1.10-4 1.3. Tổng quan ảnh hưởng dòng thấm đến ổn định đập đất 1.3.1. Tình hình ổn định đập đất
Trong những năm gần đây, trên thế giới đã xảy ra nhiều sự cố vỡđập gây ra những thảm họa nghiêm trọng và ở Việt Nam sự cố vỡđập cũngkhông phải là ít. Ảnh hưởng sự cố vỡđập gây ra những tổn thất nặng nề vềngười, tài sản, cơ sở hạ tầng và gián đoạn các hoạt động kinh tế, xã hội. Trong sốcác nhiệm vụphòng ngừa, ứng phó với thiên tai hàng năm thì công tác đảm bảo an toàn hồ chứa nước là một trong những nhiệm vụ quan trọng, ưu tiên hàng đầu. Những nguyên nhân phổ biến nhất gây sự cố vỡ đập là vỡ đập dạng lỗ (35%), vỡ đập do tràn đỉnh (25%), xói ngầm (14%), biến dạng quá mức (11%), trượt mái (10%), cống hư hỏng (2%), sai sót trong quá trình thi
công (2%) và mất ổn định khi xảy ra động đất (2%) [63]. Trong báo cáo của tác giả Garg (2013) [51] đã thống kê rằng vấn đề mất ổn định đập do điều kiện thủy lực chiếm 40%, do hiện tượng thấm chiếm 35% và do kết cấu đập chiếm 25%. Theo khảo sát điều tra của tác giả Arora (2001) [30] cũng cho thấy rằng khoảng 35% và 30% các sự cố về đập do điều kiện thủy lực và hiện tượng thấm, còn 20% là do các nguyên nhân khác. Trong đó, nguyên nhân dẫn đến hư hỏng đập do hiện tượng thấm là do thiếu sựgiám sát và thiếu thiết bịđo đạc đểphát hiện sớm trước khi sự cố xảy ra [41]. Dựa trên những nguyên nhân dẫn đến hư hỏng đập, có thể đưa ra ba nguyên nhân tiềm nănggây mất ổn định đập đất như sau [56]:
- Trượt: bao gồm mọi loại đổ vỡcông trình do mất ổn định và đặc biệt là mất ổn định do trượt quy mô lớn mái hạlưu hoặc mái thượng lưu trong điều kiện tải trọng tĩnh, hoặc mất ổn định do trượt quy mô lớn vì ứng suất địa chấn, hoặc vì hóa lỏng (Hình 1.7a);
- Xói ngoài: gồm xói do tràn đỉnh và xói chân mái thượng lưu(Hình 1.7b); - Xói trong: có thể bắt nguồn từ xói dạng ống, xói lùi, xói tiếp xúc hoặc xói ngầm (Hình 1.7c).
(a) (b) (c)
Hình 1.7. Các nguyên nhân tiềm năng gây mất ổn định đập đất [56] a. Mất ổn định đập đấtdo trượt
b. Mất ổn định đập đất do xói ngoài (tràn đỉnh) c. Mất ổn định đập đất do xói trong
Ở Việt Nam, tính đến năm 2018, cảnước đã đầu tư xây dựng được 6648 hồ chứa thủy lợi với tổng dung tích khoảng 13,5 tỷ m3 nước, phân bố tại 45 tỉnh/thành trên cảnước, trong đó có 702 hồ chứa lớn và 5946 hồ chứa nhỏ. Theo báo cáo “Hiện trạng an toàn đập, hồ chứa nước” của BộNông nghiệp và Phát triển nông thôn, tính đến năm 2018 có 1200/6648 đập, hồ chứa nước bị hư hỏng [8]. Trong đó, tỷ lệhư hỏng đập do hiện tượng thấm chiếm khoảng 44,9% (1), hư hỏng kết cấu bảo vệmái chiếm 35,4% (2), các hư hỏng khác chiếm khoảng 19,7% (3), chi tiết như sau:
(1) Do thấm gây ra như thấm mạnh, sủi nước ở nền đập Đồng Mô - Hà Tây, Suối Giai - Sông Bé, Vân Trục - Vĩnh Phúc,…; Thấm mạnh, sủi nước ởvai đập Khe Chè - Quảng Ninh, Ba Khoang - Lai Châu, Sông Mây - Đồng Nai,…; Thấm mạnh ở nơi tiếp giáp với tràn hoặc cống như đập Vĩnh Trinh - Đà Nẵng, Dầu Tiếng - Tây Ninh,…;
(2) Hư hỏng thiết bị bảo vệ mái thượng lưu. Khoảng 85% các đập đãxây dựng được bảo vệmái bằng đá lát hoặc đáxây còn lại là tấm bê tông lắp ghép hoặc bê tông đổ tại chỗ;
(3) Các hư hỏng khác như sạt mái, lún không đều, nứt, tổ mối,…
Theo báo cáo đánh giá hiện trạng của Tổng Cục thuỷ lợi: Thời gian qua, Chính phủđãphê duyệt Chương trình bảo đảm an toàn hồ chứa nước và nâng cao hiệu quả khai thác các hồ chứa (tại Văn bản số 1749/CP-NN ngày 30/10/2003 và số 1734/TTg- KTN ngày 21/9/2009). Đến nay, cả nước đã sửa chữa được 663 hồ; còn khoảng 1150 hồđang bịhư hỏng nặng cần được sửa chữa, nâng cấp trong giai đoạn 2016 – 2020 [8].
1.3.2. Các sự cố do ảnh hưởng dòng thấm qua đập
Sự chuyển động của chất lỏng trong môi trường đất, đá nứt nẻ hoặc trong môi trường xốp nói chung, gọi là dòng thấm. Áp lực thấm, lưu lượng thấm, gradient thấm,... là các yếu tốđộng lực chủ yếu của dòng thấm. Khi thiết kếđập đất cần phải được đảm bảo điều kiện ổn định thấm để không gây ra thấm vượt quá lưu lượng và vận tốc cho phép, gây xói ngầm, bóc cuốn trôi vật liệu uy hiếp tính bền vững và tuổi thọcông trình [24]. Tuy nhiên, khi dòng thấm vượt quá giá trịlưu lượng và vận tốc cho phép sẽ dẫn
đến nguy cơ vỡđập. Do vậy, tính thấm là một trong những nhiệm vụ quan trọng khi thiết kếđập đất. Dòng thấm có thểgây sự cố vềđập có thểđược phân loại như sau:
1.3.2.1. Hiện tượng rò rỉ
Một trong những nguyên nhân chính gây vỡ đập dạng lỗlà do hiện tượng rò rỉ, xảy ra do sự di chuyển liên tục, tự do các hạt đất qua các khe kẽcác hạt lớn tạo thành ống dòng. Sự di chuyển này có thể xảy ra ởthân đập hoặc nền đập [47]. Ở Việt Nam, hiện tượng vỡđập dạng lỗlà một trong hai dạng vỡđập được lựa chọn khi tính toán bài toán vỡ đập. Đây là trường hợp do thấm và xói ngầm qua thân đập. Trong trường hợp vỡđập dạng lỗ cần nhập vào giá trị của hệ sốlưu lượng chảy qua lỗ [18]. Hiện tượng này đã xảy ra ở đập Suối Hành, Khánh Hòa vào năm 1986 và đập Am Chúa, Khánh Hòa năm 1992 [8].
Hiện tượng rò rỉ xảy ra ở đập đất được chia thành hai dạng:
- Rò rỉqua thân đập: Hiện tượng này xảy ra khi dòng thấm rò rỉ qua thân đập do khảnăng chống thấm đất đắp đập kém, hình thành các kênh đào nhỏ vận chuyển vật liệu xuống hạ lưu [29]. Các kênh đào (lỗ rỗng) ngày càng mở rộng ra khi ngày càng có nhiều vật liệu được vận chuyển xuống hạ lưu hơn, điều này có thể dẫn đến việc vật liệu bị cuốn trôi khỏi thân đập và sau đó là đập bị sụt lún(Hình 1.8). Nguyên nhân của hiện tượng này có thể là do những sai sót trong quá trình thi công, độ chặt không đủ, các vết nứt xuất hiện trên bề mặt đất đắp do nền đập bị sụt lún, các vết nứt xảy ra do hiện tượng co ngót và động vật đào hang trong thân đập.
Hình 1.8. Rò rỉ qua thân đập [29]
- Rò rỉ qua nền đập: Đôi khi các hốc hoặc khe nứt hoặc tầng sỏi hoặc cát thôcó tính thấm cao xuất hiện trong nền đập, nước có thể bắt đầu thấm với tốc độ rất nhanh
thông qua chúng (Hình 1.9). Dòng chảy tập trung này có thểlàm xói mòn đất. Hiện tượng rò rỉ qua nền đập kéo dài có thểlàm toàn bộthân đập lún dẫn đến vỡđập [29].
Hình 1.9. Rò rỉ qua nền đập [29]
Một dạng rò rỉkhác là hiện thượng rò rỉ, thấm ởmang các công trình xây đúc. Các nguyên nhân gây ra thấm và sủi nước ởmang công trìnhlà do: thiết kếkhông đề ra biện pháp xửlý hoặc biện pháp xửlý đề ra không tốt; đất đắp ở mang công trình không đảm bảo chất lượng: đất đắp không được lựa chọn kỹ, không dọn vệ sinh sạch sẽđể vứt bỏcác tạp chất trước khi đắp, đầm nện không kỹ; thực hiện biện pháp xửlý không đầy đủ; hỏng khớp nối của công trình; cống bị thủng.
Tóm lại, để xảy ra hiện tượng rò rỉ cần có năm điều kiện chính là: (1) Phải có dòng thấm qua đập; (2) Độ dốc thủy lực phải vượt quá một ngưỡng nhất định, phụ thuộc vào loại đất mà dòng thấm đi qua; (3) Phải có một lối thoát không được bảo vệ mà từđó vật liệu có thểthoát ra ngoài; (4) Các loại đất dễ bịrò rỉ phải xuất hiện nơi đường dòng gần điểm xả của dòng thấm; (5) Vật liệu bịrò rỉ hoặc vùng đất nằm ngay phía trên vật liệu phải có khảnăng hình thành và giữcho đường hầm luôn mở [38], [46], [47], [49], [50].
1.3.2.2. Hiện tượng xói trong
Một sự cố gây ra do hiện tượng xói trong (internal erosion) có thể xuất hiện tương tự như sự cốrò rỉ. Xói trong và xói lùi được sử dụng để mô tảcác cơ chế vỡ đập liên quan đến dòng thấm không được kiểm soát thay vì chỉ một thuật ngữlà rò rỉ. Những thuật ngữnày mô tảcác cơ chế khác biệt rõ rệt mà dòng thấm có thểgây ra vỡ đập. Hiện tượng xói trong, có thể bắt nguồn từxói dạng ống, xói lùi, xói tiếp xúc hoặc xói ngầm (Hình 1.10) [56].
(a) (b) (c) (d) Hình 1.10. Đổ vỡ công trình do hiện tượng xói trong [56]
a. Xói đường ống b. Xói lùi c. Xói tiếp xúc d. Xói ngầm Bốn quá trình bắt đầu hiện tượng xói trong là:
- Xói dạng ống (Conduit erosion): các hạt đất bịlôi cuốn khỏi bề mặt ống dưới tác dụng của dòng thấm (Hình 1.10a);
- Xói lùi (Regressive erosion): các hạt đất bị cuốn đi bên dưới bề mặt kết dính hoặc ở cửa ra dòng thấm. Sau đó tiến trình xói hướng lên trên (Hình 1.10b);
- Xói tiếp xúc (Contact erosion): các hạt đất mịn bị cuốn đẩy theo mặt tiếp xúc giữa một lớp vật liệu hạt thôvà một lớp vật liệu hạt mịn, dưới tác dụng của dòng thấm dọc theo lớp vật liệu hạt thô (Hình 1.10c);
- Xói ngầm (Suffusion): các hạt đất mịn bị dòng thấm đưa đi qua các lỗ rỗng trong môi trường đất (Hình 1.10d).
Hiện tượng xói trong mô tả cách thường thấy nhất mà dòng thấm có thể làm hỏng đập đất và hiện tượng này xuất hiện khi có dòng thấm:
- Dọc theo vết nứt hoặc các khuyết tật khác trong đất hoặc nền đá gốc ở mặt cắt ngang đập;
- Dọc theo ranh giới giữa đất và nền đá gốc;
- Dọc theo ranh giới giữa đất và bê tông hoặc vật liệu kim loại [46], [47], [49]. Xói trong là hiện tượng phổ biến nhất ở những vùng chịu ảnh hưởng dòng thấm [46], [49]. Các vùng cụ thểnhư sau:
- Vịtrí mặt trượt: Khi độ chặt của đất đắp lớn vàđộẩm tăng lên tạo ra sựphân tầng của khối đất đắp;
- Khối đất đắp đập: Quá trình xây dựng không kiểm soát được vật liệu đất đắp, tạo ra sựkhông đồng nhất giữa các lớp đất;
- Vị trí các vết nứt: các vết nứt có thểđược hình thành và mở rộng do độ lún khác nhau giữa nền đập hoặc do sự co ngót không đều của đất đắp. Nước có thể tạo thành kênh dẫn nước thông qua các vết nứt này;
- Hiện tượng rò rỉ theo phương ngang: Điều này dẫn đến việc dần hình thành một cống tiêu nước từ thượng lưu về hạ lưu đập, qua đó xuất hiện hiện tượng tập trung dòng nước, tăng áp lực nước lỗ rỗng và mang theo các hạt đất với hàm lượng ngày càng tăng cao [41], [46], [73].
1.3.2.3. Hiện tượng tan rã
Dòng thấm còn có thểgây ra các vấn đềkhác trong nền đập hoặc thân đập, vị trí mà thành phần khoáng vật trong đất đắp có thể bị hòa tan bằng nước ngầm hoặc dòng thấm. Các thành phần khoáng vật dễ bị hòa tan bao gồm các khoáng chất như thạch cao, anhydrite, halite và đá vôi. Quá trình hòa tan sẽ thúc đẩy hiện tượng xói trong và rò rỉđập đất. Đập được cấu tạo từ vật liệu dễ bịhòa tannhư đá vôi phải luôn được bảo trì hết sức thận trọng. Ngoài ra, thạch cao, halite và một số khoáng chất tương tựquá dễhòa tan đến mức chúng ta phải sử dụng tới những biện pháp đặc biệt trong lúc thi công công trình. Sự cố vỡđập Quail Creek là một trong những sự cố do hiện tượng tan rãgây ra. Người ta đã xác định rằng các khu vực khô cằn có thể chứa một lượng muối hòa tan đáng kể có thể được hòa tan bằng dòng thấm. Sự hòa tan muối này có thể dẫn đến việc mất cường độ vật liệu đắp đập [46], [48].
1.3.2.4. Vịtrí đường bão hòa trong thân đập
Một nguyên nhân khác gây sự cố vỡ đập là do không kiểm soát được đường bão hòa và dòng thấm qua thân đập. Trong trường hợp này, hiện tượng xảy ra khi mực nước hồ chứa rút nhanh sẽ xuất hiện dòng thấm vào hồ do mực nước rútvàgây mất ổn định mái thượng lưu. Việc đánh giá ổn định mái dốc có liên quan đến việc xác định dạng thấm và áp lực kẽ rỗng trong thân đập cũng như xác định các chỉtiêu chống cắt của đất tương ứng. Trên thế giới đã có nhiều tác giảđi sâu vào nghiên cứu đánh giá các yếu tốảnh hưởng đến ổn định mái dốc khi mực nước trên mái rút nhanh [34], [42], [53], [58], [61], [69]. Ở Việt Nam, cũng đã có công trình nghiên cứu khoa học về “Nghiên cứu ổn định mái đê đập khi mực nước trên mái rút nhanh” của tác giả Nguyễn Cảnh Thái và cộng sự (2007) [11]. Thêm vào đó, tiêu chuẩn TCVN 8216:2009 – Thiết kế đập đất đầm néncũng đã đề cập đến ba trường hợp phải tính toán ổn định khi mực nước trên mái rút nhanh.
Vấn đề xác định được vịtrí đường bão hòa trong thân đập đất làm cơ sở nhận định, phân tích tình hình thấm, cũng như đánh giá sựổn định, an toàn của đập là một việc làm hết sức cần thiết. Có một sốphương pháp xác định vịtrí đường bão hòa như phương pháp vẽlưới thấm, áp dụng lý thuyết Dupuit. Tuy nhiên, những phương pháp này chỉ áp dụng cho những trường hợp với điều kiện biên đơn giản, trong khi các công trình thực tế thường có điều kiện biên phức tạp nên thường được giải bằng phương pháp số như phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp thểtích hữu hạn hay phương pháp phần tử hữu hạn [39], [60], [64].
1.4. Tình hình nghiên cứu về ảnh hưởng dòng thấm đến sự thay đổi tính chất cơ lý đất đắp đập chất cơ lý đất đắp đập
1.4.1. Nghiên cứu trên thế giới
Hiện nay, trên thế giới chủ yếu sử dụng phương pháp thực nghiệm đểnghiên cứu vềảnh hưởng dòng thấm đến các sự cố vỡđập. Đối với việc nghiên cứu vềcác ảnh hưởng dòng thấm, phương pháp mô hình vật lý được áp dụng bằng việc nghiên cứu từng hiện tượng do ảnh hưởng dòng thấm trên các mô hình thu nhỏ của đập. Từ việc quan sát, đo đạc, thu thập, phân tích số liệu đểđưa ra các đánh giá vềảnh hưởng
của dòng thấm đến ổn định đập đất. Một sốnghiên cứu tiêu biểu có sử dụng mô hình vật lý vềảnh hưởng của dòng thấm như: