CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG
1.4 Biện pháp mới chống thấm cho đập đất
1.4.4. Chống thấm bằng công nghệ tường hào Bentonite
Tường hào được xây dựng bằng cách đào hào trong dung dịch bentonite. Dung dịch bentonite thường là hỗn hợp nước-bentonite có tác dụng giữ ổn định của vách hào bằng cách tạo nên một màng mỏng trên bề mặt của vách hào và cân bằng áp lực đất. Ngay sau khi hào được đào xong hào được nhanh chóng lấp đầy bằng vữa xi măng-bentonite hay hỗn hợp đất-bentonite, ngoài ra có một loại ít phổ biến hơn là loại tường hào bê tông dẻo.
Công nghệ này mặc dù cho giá thành cao hơn một số công nghệ khác nhưng khả năng chống thấm cho hiệu quả lâu dài. Đây cũng chính là vấn đề mà các nhà thiết kế quan tâm.
Hình 1.13: Thi công Tường Hào Bentonite Albian, Ft. McMurray, Alberta xây để bảo vệ môi trường trong quá trình khai thác dầu mỏ.
Hình 1.14: Gầu đào và quá trình lấp hào
Tường hào là biện pháp công trình xử lý chống thấm trong nền được sử dụng rộng rãi để giảm thấm, ngăn chặn nước ngầm bị ô nhiễm và sửa chữa các đê, đập thuỷ lợi cũ bị xuống cấp. Từng điều kiện cụ thể của khu vực xây dựng công trình sẽ quyết định loại tường hào nào thích hợp và hiệu quả nhất.
Hào bentonite
Hình 1.15: Tường hào chống thấm bằng bentonite
1.4.4.1 Lịch sử của phương pháp tường hào [6]
Phương pháp này được ứng dụng đầu tiên bởi U.S Army Engineer District, Memphis, vào tháng 9 năm 1945, để xây dựng tường ngăn 1 phần dọc đê sông Mississipi trên phía Arkansas, ngay dưới Memphis, Tennessee (Clay 1976 và Kramer 1946).
Ý tưởng cho việc này có thể được bắt nguồn từ việc sử dụng cùng lúc tường đất sét nhão được kết hợp sử dụng vữa khoan cho việc khoan đào cải tiến. Một thiết bị trộn được tạo ra cho việc làm vữa lỏng từ đất sét tự nhiên. Hào được sử dụng máy đào hào tới độ sâu 20 feet và tới độ sâu 35 feet sử dụng máy đào gầu . Vật liệu lấp được được trộn trong máy trộn ở công trường và đưa vào hào bằng máy ủi khi chiều dài của hào gần bằng 2 lần chiều sâu của hào. BG Hans Kramer đã nhận thấy có thể sử dụng hào vữa cho việc xây dựng tường chống thấm cho đập. Điều đáng ngạc nhiên là sau 38 năm, phương pháp này vẫn giống như nó được phát hiện lần đầu tiên bởi Quận Memphis. Tường hào đất bentonite được xây dựng dưới Kennewick, cạnh sông Columbia, nằm trong đập McNary ở Washington bởi quận Walla Walla vào năm 1952 (Jone 1961). Tường hào đất bentonite lần đầu tiên được ứng dụng để chống thấm cho một đập lớn là đập đất chính Wanapum trên sống sông Columbia ở Washington vào năm 1959 (La Russo 1963). Sau đó, tường hào đất bentonite được sử dụng chống thấm ở 1 số đập: đập Mcnary, đập Hanapum và đập Well trên sông Colombia, Wash , hồ chứa Yards Creek, New Jersey, đập Comanche - hồ 2 trên sông Mokelumme, Califonia...
Hào xi măng bentonite được sử dụng đầu tiên ở vai đập Razana trên sông Euphrates ở Iraq vào năm 1969 (Soletanche 1969). Sau đó, tường xi măng bentonite được sử dụng để xứ lý thấm qua đập và nền cho 4 đập đang hoạt động ở Mexico từ năm 1970 tới năm 1972 (Soletanche 1970, 1971, 1971-1972, 1972). Như được chỉ trong bảng 1.2, tường hào xi măng- bentonite đầu tiên ở Mỹ được xây dựng ở dự án Tilden Tailing để trữ chất thải từ Tilden Mine ở Michigan vào năm 1976 (Meier và Reetberg 1978). Tường xi măng- bentonite đầu tiên được xây dựng ở đập dâng hồ chứa ở Mỹ được hoàn thành vào năm 1978 là trong đập Elgo (trước kia là đập San Carlos) ở Arizona (Anonumous 1978 và miller và Salzman 1980).
Tường vữa đất-bentonite được nhận bằng sang chế ở Mỹ số 2.757.514 ngày 7/8/1956 cho “phương pháp xây dựng tường chống thấm ở các địa hình khác nhau”
với tên tác giả là Harold T.Wyatt. Bằng này hết hạn vào năm 1973. Tường hào vữa xi măng-bentonite được nhận bằng sáng chế ở Mỹ số 3.759.044 ngày 18/09/1973 cho “Phương pháp xây dựng tường đất sử dụng vữa Bentonite xi măng” cho tác giả Pháp là Claude Caron và Jean Hurtado, France, chuyển nhượng cho Soletanche, Paris, Pháp.
1.4.4.2 Các loại tường hào và ưu nhược điểm, điều kiện áp dụng a. Tường hào xi măng - bentonite
Nguyên lý công nghệ
Tường hào ximăng - bentonite là loại tường chống thấm do công ty Bachy Soletan phát minh, được sử dụng rộng rãi tại Pháp và các nước châu Âu. Tường hào ximăng - bentonite thi công theo hai phương pháp sau:
Phương pháp 1: Đào hào trong dung dịch ximăng - bentonite - phụ gia, hỗn hợp vật liệu ximăng + betonite + phụ gia, sau thời gian nhất định đông cứng lại tạo thành tường chống thấm cho thân đập và nền đập.
Phương pháp 2: Đào hào trong dung dịch bentonite, sau đó dung dịch bentonite được thay thế bằng dung dịch ximăng - bentonite - phụ gia, sau thời gian nhất định hỗn hợp này đông cứng tạo thành tường chống thấm.
Hào betonite thường có chiều rộng (0,5 ÷ 1,2)m, nhưng thực tế những công trình nước ta thi công gần đây như: Dầu Tiếng - Tây Ninh, Dương Đông - Phú Quốc… bề rộng hào thường là 0,6m, do trong quá trình thi công bề rộng hào phụ thuộc vào thiết bị thi công mà cụ thể là gầu đào. Với kỹ thuật tiên tiến, công nghệ hiện đại ngày nay chúng ta có thể thi công được những hào có chiều sâu rất lớn từ (5 ÷ 120)m như: đập đất của nhà máy thuỷ điện Kureika của Nga có hào bentonite chống thấm cho thân và nền đập sâu 120m.
Để có thể đào hào rất sâu và duy trì được mái dốc thẳng đứng như vậy trong quá trình thi công phải duy trì liên tục hỗn hợp bentonite đầy trong hào giữ cho vách hào luôn được ổn định. Hệ số thấm của tường hào ximăng - bentonite đạt được khoảng k = 10-5÷10-7cm/s nên dòng thấm bị hạn chế rất đáng kể khi đi qua tường chống thấm này.
Ưu điểm
- Ưu điểm nổi bật khi thi công hào theo biện pháp này là hỗn hợp có khả năng giữ ổn định vách hào cao, có thể sử chống thấm ở chiều sâu lớn (đến 50 m).
- Khi đào hào trong dịch bentonite (phương pháp 2), hào đào xong được thay thế bằng dung dịch ximăng - bentonite - phụ gia làm cho hào được đồng nhất, chống thấm đạt hiệu quả cao (hệ số thấm nhỏ k = 10-5÷10-7 cm/s).
- Dung dịch giữ ổn định vách có thể được sử dụng để hình thành hào sau này, qua đó tiết kiệm chi phí ( phương pháp 1)
- Dung dịch ximăng - bentonite được trộn theo dây truyền công nghệ theo tiêu chuẩn thống nhất nên thuận tiện trong thiết kế, thi công, vận chuyển và kiểm soát chất lượng.
- Khi địa hình xây dựng chật hẹp vẫn áp dụng được công nghệ thi công này.
Nhược điểm
- Máy móc thi công cồng kềnh phức tạp.
- Không thi công được khi nền lẫn đá lăn, đá tảng.
- Khi thi công hào theo phương pháp 1 trong quá trình đào, đất sẽ bị rơi lẫn vào trong hỗn hợp ximăng - bentonite - phụ gia làm giảm chất lượng hào, điển hình là sẽ làm giảm khả năng chống thấm của hào.
- Khi thi công theo phương pháp 2 sẽ phải tốn thêm chi phí cho dung dịch bentonite giữ ổn định vách dẫn đến giá thành công trình cao.
Phạm vi ứng dụng:
- Chủ yếu sử dụng công nghệ này để sửa chữa chống thấm cho các đập đất.
- Sử dụng khi địa hình xây dựng chật hẹp, yêu cầu chống thấm cao, tầng thấm nước sâu và hệ số thấm lớn.
b. Tường hào đất-bentonite.
Tường hào đất bentonite và công nghệ được dùng khá phổ biến Mỹ và Canada, được sử dụng tại những nơi không yêu cầu cường độ cao. Việc sử dụng công nghệ này đem lại hiệu quả rất lớn về nâng cao khả năng chống thấm và giảm giá thành công trình.
Cấp phối vật liệu đất - bentonite [6]
Việc thiết kế cấp phối cho hỗn hợp đất - bentonite (ĐB) phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại đất, điều kiện của dự án, giá của vật liệu, và bảng liệt kê về yêu cầu kỹ thuật.
Qua tham khảo các tài liệu, hàm lượng Bentonite chiếm khoảng từ 3% - 5% so với khối lượng đất khô đối với Bentonite Úc và khoảng 4 – 7 % đối với Bentonite Việt nam tùy thuộc vào tính chất của đất cũng như yêu cầu cụ thể của công trình.
Ngoài ra, để cải thiện một số tính chất của hỗn hợp việc cho thêm tro bay vào hỗn hợp cũng đã được xem xét. Khi thay thế một phần bentonite bằng tro bay các tính chất kỹ thuật của hỗn hợp được cải thiện, lượng nước dùng sẽ giảm, khả năng chống thấm và cường độ được cải thiện.
Độ sụt của hỗn hợp ĐB phù hợp với điều kiện thi công nằm trong khoảng 100 – 200 mm, và tốt nhất là khoảng 130 – 160 mm. Tương ứng với độ sụt nói trên thì hàm lượng nước chiếm khoảng 30% - 35% trong hỗn hợp ĐB.
Ưu điểm:
- Thi công hào theo phương pháp này vách hào có khả năng ổn định cao, có thể xử lý chống thấm tại những khu vực có chiều sâu tương đối lớn.
- Tận dụng được khả năng máy móc thi công, một máy có thể làm nhiều nhiệm vụ (ví dụ: Máy ủi có thể dùng để san, trộn vật liệu và đổ vật liệu vào hào;
Máy đào thủy lực có thể dùng để đào hào và trộn vật liệu ..), vật liệu lấp hào chủ yếu được lấy ra từ hào hoặc phải chế bị thêm đất ở nơi khác (nếu vật liệu đào ra từ hào không đảm bảo chất lượng) qua đó giảm chi phí xây dựng công trình.
- Không đòi hỏi khắt khe tiến độ thi công; khi hào bị hỏng dễ dàng tiến hành sửa chữa.
- Mô đun đàn hồi của hào xấp xỉ với mô đun đàn hồi của đất bên cạnh do đó mặt tiếp giáp của hào và đất bên vách hào ổn định hơn so với công nghệ thi công hào ximăng - bentonite.
Nhược điểm:
Cường độ của vật liệu làm hào không cao, do đó không thể xây dựng hào tại những vị trí yêu cầu cường độ cao.
c. Hào đất - xi măng-bentonite
Trong những năm gần đây việc sử dụng tường hào chống thấm bằng hỗn hợp đất-ximăng-bentonite ở những nơi có tải trọng ngoài tác dụng nhằm ngăn chặn sự xâm nhập của mạch nước ngầm đang được ứng dụng ngày càng nhiều thay cho hỗn hợp đất-bentonite thông thường không đáp ứng được yêu cầu cường độ. Do có bổ sung thêm thành phần chất kết dính xi măng vào đất nên nó góp phần tạo nên một hệ thống cứng có khả năng chịu được tải trọng lớn hơn.
Thiết kế hỗn hợp đất-ximăng-bentonite là một vấn đề phức tạp vì nó có liên quan đến những mâu thuẫn của các vật liệu thành phần. Trong khi tường đất- ximăng-bentonite có thể cho cường độ cao, thì khả năng chống thấm lại là vấn đề cần xem xét khi đem so sánh với tường đất-bentonite thông thường. Với loại tường đất-ximăng-bentonite, chỉ tiêu kỹ thuật cho thấy hệ số thấm thông thường đạt được
là 1x10-6cm/s. Nếu có những chú ý đặc biệt đến vấn đề liên quan đến vật liệu cùng với công nghệ thi công thì hệ số thấm có thể đạt được là 5x10-7cm/s.
Thành phần vữa đất-ximăng-bentonite điển hình có thể gồm 18÷89kg bentonite, 30÷89kg ximăng pooclăng và lượng nước vào khoảng 35% trộn với 1m3 đất khô. Có thể trộn các vật liệu vào đất ở dạng hồ bentonite hay vữa ximăng sao cho đạt được yêu cầu chống thấm. Ví dụ: nếu đất khô có dung trọng là 1785kg/m3 với lượng xi măng thêm vào được xác định là 5% thì tương ứng với khối lượng 89kg.
Liên quan đến tường hào đất-bentonite ở Mỹ, con số được ước tính là khoảng 2000 công trình, trong khi số tường dùng đất-ximăng-bentonite tương đối nhỏ, khoảng 50-100 công trình tính đến thời điểm này
d. Tường hào bê tông
Tường bê tông dẻo là hỗn hợp của nước, bentonite, xi măng, cốt liệu bê tông.
Hỗn hợp trên được để cho tự đông cứng trong hào tạo nên tường chống thấm. Hào được đào theo từng panel trong dung dịch bentonite, sau khi đào hào xong bê tông dẻo được bơm vào hào thông qua một ống dẫn vào đáy hào, hỗn hợp bê tông có dung trọng lớn hơn đẩy dung dịch bentonite ra ngoài
Ưu điểm:
Hệ số thấm nhỏ, ít chịu ảnh hưởng của hoá chất đối với tường hào, có cường độ cao, ít biến dạng.
Nhược điểm:
- Giá thành làm tường hào cao.
- Phương pháp đào hào bentonite và sử dụng tường ngăn bê tông chống thấm được sử dụng cho lần đầu tiên vào năm 1951 ở thủy điện Volturno-Garigliano trên sông Volturno ở Venafro, gần Naples, Italy (Veder 1963, Veder 1975 và Franke 1954). Kể từ năm 1950, tường ngăn bê tông được xây dựng bằng cách đổ bê tông trong hào bentonite được sử dụng cho nhiều công trình trên thế giới. Tường ngăn bê tông sâu nhất tới nay được xây dựng ở đập Manicouagan 3 ở Quebec, Canada, vào
năm 1972, với 2 tường bê tông song song, dày 2 ft, cách nhau 10 ft và 430 ft sâu (Anonymous 1972).
- Tường hào bê tông sử dụng hiệu quả khi chiều sâu của những nền có tính thấm lớn lớn hay khi nền bao gồm sỏi, đá cuội, và hang đá vôi,. Sử dụng phương pháp này, tường bê tông đúc sẵn liên tục đúc tại hiện trường được xây dựng bằng cách đổ bê tông trong hào bentonite. Do tường ở dạng cấu kết màng cứng đơn giản hơn, động đất có thể gây ra vỡ, do đó tường ngăn loại này không được sử dụng ở những nơi mà động đất mạnh thường xuyên xảy ra (U.S Army Engineer District, Pittsburgh 1965).
1.4.4.3 Các công trình đã áp dụng thực tế:
a. Các công trình chống thấm bằng tường hào bentonite ngoài nước
Trên thế giới tường hào bentonite đã được xây dựng ở rất nhiều nước. Theo thống kê ở Mỹ hiện nay các hào bentonie xây dựng vào khoảng 2000 công trình, lớn hơn nhiều so với các giải pháp khác. Cho hầu hết các trường hợp về quản lý dòng chảy ngầm tại những nơi không yêu cầu cao về cường độ như ngăn chặn nước ngầm thoát ra từ các bãi thải, ngăn chặn hoặc giảm thiểu hiện tượng thấm qua nền và thân Đập ÷ Đê, Ngăn chặn nước mặn xâm nhập…
Bảng 1.1. Thống kê một số công trình tường hào đất - bentonite đã xây dựng trên thế giới [6]
Kích thước TT Địa điểm
xây dựng
Mục đích sử dụng
Năm xây
dựng Dài
(m) Rộng
(m) Sâu
(m)
Hệ số thấm (m/s)
1
Thị trấn Fort McMurray
- Canada
Ngăn không cho thải công nghiệp của quá
trình sử lý dầu xâm nhập vào
dòng sông cạnh khu vực
khai thác
2600 0.9 50 1E-9
2 Newcastle Stellwork
Ngăn chặn
nhiễm độc 2007 1500 0.91 49 1e-9
nước ngầm cho vùng Newcastle steelworks
3
Sông Hunter - Australia
Ngăn chặn nhiễm độc nước ngầm xâm nhập vào
dòng sông
2006 5300 0.9 49 1E-9
4
Sông Peribonka -
Canada
Xử lý thấm
qua nền đập 2006 450 0.8 50 -
5 Chalervoix
Chống rò rỉ rác thải hạt
nhân xâm nhập vào nước
ngầm của địa phương
- 365 0.5 6 1E-10
6 Hồ Greeley - Bắc Mỹ
Chống thấm
cho nền đập 2002 2550 0.91 20 1E-9
7 Ithaca Chống thấm
cho bãi rác thải
2003 3330 0.9 10 1E-9
8 Kawasaki - Nhật
Ngăn chăn nước thải thoát
ra từ nhà máy lọc dầu
1984 12000 0.9 26 -
9 Phía nam Florida
Chống thấm
cho nền đập 2006 - 0.75 24 1E-10
10 Marysville Chống thấm
cho đê 1996 2859 0.61 19.2 1E-9 11 Sydney -
Australia
Chống thấm
cho nền đập 2004 925 1 19.8 1E-9
12 Yuba City - Pháp
Ngăn chặn nguy cơ phá hoại đê gây ra bởi hiện tượng
thấm
2004 10000
0 0.9 22 1E-9
trong mùa lũ.
13 Ogden Xử lý rác thải
y tế 2008 36766 0.6 11 1E-9
b. Các công trình chống thấm bằng tường hào bentonite trong nước
Hào xi măng-bentonite được thi công lần đầu ở đập chính hồ Dầu tiếng do công ty Bachy - Soletance thực hiện, sau đó hào xi măng-bentonite chống thấm được áp dụng để sửa chữa ở một loạt các công trình khác như Easoup Thượng, IAKAO, đập phụ suối Đá hồ Dầu tiếng, đập Am chúa, đập Dương đông. Trong đó đập Dương đông hoàn toàn do Công ty tư vấn Thuỷ lợi 2 (HEC2) thực hiện..
Bảng 1.2. Thống kê một số tường hào đất - bentonite đã xây dựng ở Việt Nam [6]
Tên công trình
Chiều sâu hào lớn nhất (m)
Chiều dài hào (m)
Chiều rộng hào
(m)
Hệ số thấm thiết kế (cm/s)
Hệ số thấm thực tế (cm/s) Hồ Dầu
Tiếng
- H18-H22
- H22-H33 33 162 0,6
- Suối Đá 39 350 0,6
- Bầu Vuông 25 140 0,6
1.10-5 10-5 ÷ 2,54.10-6
Hồ EA Súp thượng
21 1780 0,6
1.10-6 (điều chỉnh 4,5.10-6
1,51.10-6 ÷ 4,2.10-6
Hồ EAKAO
- Đập số 1 65.2 26.2 0,6 - Đập số 3 14.9 175.6 0,6
1.10-5 4,06.10-6 Hồ Dương
Đông
21 312 0,6
1.10-5 1.10-5 ÷6,7.10-6 Hồ Ia Mlah 47,5 340 0,6 3.10-6 2,5.10-6 ÷3.10-6
Tóm lại, qua thực tiễn xây dựng và nâng cấp đập đất thời gian qua cho thấy:
Khó khăn lớn nhất là chống thấm cho nền đập có lớp cát-cuội-sỏi dày không thể bóc bỏ được, vùng xây dựng công trình lại khan hiếm đất sét làm vật chống thấm, nếu sử dụng khoan phụt cao áp hoặc rải vải địa kỹ thuật thì hiệu quả chống thấm không cao. Quá trình đào hào còn gặp nhiều khó khăn trong việc tính toán ổn định vách
hào để có thể điều chỉnh được giá thành thi công hợp lý và xây dựng biện pháp thi công phù hợp. Với sự phát triển lý luận về tính toán ổn định trong không gian ba chiều và các phần mềm tiên tiến hiện nay như Geo-slope, plaxis (2D và 3D) giúp cho công việc tính toán trở nên đơn giản. Việc cần thiết ở đây là phải nghiên cứu các yêu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của vách hào đào trong dung dịch bentonite.
Luận văn tập trung vào tính toán và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định vách hào đào trong nền đất ít dính được ổn định bằng dung dịch bentonite.