CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP ĐẤT VÀ KIẾN NGHỊ GIẢI PHÁP XỬ LÝ
3.3. Giải pháp xử lý nâng cao ổn định đập đất hồ Diên Trường
3.3.1. Giải pháp xử lý thấm cho hồ Diên Trường
a) Tổng quan các phương pháp chống thấm
Hiện nay, ở Việt Nam và các nước trên thế giới. Việc chống thấm cho thân và nền đập đất thường sử dụng các biện pháp sau:
- Tường nghiêng hoặc sân phủ bằng đất sét, màng HDPE, thảm sét địa kỹ thuật;
- Lõi giữa bằng đất sét, pha sét, bản bê tông, bản PVC,…;
- Tường hào Bentonite, cọc ximăng-đất;
- Chống thấm bằng khoan phụt có áp (khoan phụt truyền thống, chống thấm cho nền đá nứt nẻ).
Trong luận văn này, tác giả tóm tắt nội dung chính của một số phương pháp chống thấm cho Đập đất như sau:
a1) Chống thấm đập đất bằng màng địa kỹ thuật
Chống thấm bằng màng địa kỹ thuật có nhiều loại nhưng phổ biến nhất là các loại:
- HDPE (High Density Polyethylene); PVC (Poly Vinyl Chloridc); CPE (Chlorinated Poly Ethylene) theo hình 3.6.
- Màng chống thấm địa kỹ thuật có khả năng chống thấm rất cao, hệ số thấm nhỏ (5.10-11 ÷ 5.10-14 cm/s), chiều dày màng rất mỏng (0,5 ÷ 20mm), tuổi thọ của vật liệu trung bình 20 ÷ 25 năm. Màng chống thấm địa kỹ thuật thường được sử dụng làm tường nghiêng và sân phủ chống thấm cho đập đất thay vật liệu đất sét truyền thống.
Hình 3.6: Chống thấm Hồ chứa nước bằng màng HDPE a2) Chống thấm hồ chứa bằng phương pháp thảm bê tông FS
Công nghệ gia cố bờ kè, bờ hồ bằng các tấm bê tông bọc vải địa kỹ thuật được phát triển đầu tiên ở Mỹ, bắt đầu từ những năm 80 của thập kỷ trước. Đây là công nghệ mới, nhưng nhanh chóng được ứng dụng rỗng rãi trên toàn thế giới. Tại Mỹ đã có hàng triệu mét vuông bờ kè được ứng dụng phương pháp bê tông bọc vải địa kỹ thuật và đã đạt được những thành tựu to lớn. Chúng mở ra một tương lai mới thay thế những công nghệ truyền thống bộc lộ những ưu nhược điểm nhất định. Các nhà sản xuất sẽ
cung cấp sản phẩm theo một khuôn mẫu với độ dày dao động từ 100mm, 150mm, 200mm tùy từng loại ứng dụng. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều nước ứng dụng phương pháp này bao gồm: Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Australia, các tiểu vương quốc Ả rập, Anh Quốc.
Thảm bê tông có nhiều loại: Loại tiêu chuẩn, dạng lưới, dạng phiến,.. tùy tính chất từng công trình, điều kiện địa chất, địa hình, thủy văn dòng chảy để tính toán lựa chọn loại thảm và độ dày phù hợp. Thảm bê tông có độ dày 5 ÷ 50cm:
- Loại thảm có chiều dày 5 ÷ 15cm: bơm vật liệu vữa xi măng;
- Loại thảm có chiều dày 20 ÷ 50cm: bơm vật liệu bê tông.
- Thông thường thảm bê tông chống thấm cho hồ chứa có độ dày 15 ÷ 30cm, Theo hình 2.7.
* Ưu điểm:
+ Biện pháp thi công đơn giản, thời gian thi công nhanh chóng;
+ Khả năng chống thấm cao;
+ Thảm bê tông FS có thể thi công trong điều kiện ngập nước, nơi thường xuyên có dòng chảy mà không cần các biện pháp xử lý đắp đê quây hoặc tháo nước làm khô hồ chứa;
+ Vật liệu định dạng thảm bê tông FS bằng các sợi tổng hợp có độ bền cao, trọng lượng nhẹ nên thuận lợi khi vận chuyển và thi công đặc biệt nơi có địa hình phức tạp.
* Nhược điểm:
+ Do thảm bằng vải sợi tổng hợp có độ bền cao trong môi trường làm việc còn phải nhập từ nước ngoài nên giá thành rất cao, vì vậy ở nước ta hạn chế sử dụng phương pháp chống thấm này.
Hình 3.7: Ứng dụng thảm bê tông FS bảo vệ bờ cho đập hồ chứa a3) Chống thấm bằng cừ bê tông cốt thép ứng suất trước
Trường hợp chiều cao đập và nền cần xử lý chống thấm không lớn hơn 20m, lớp bồi tích không có đá lăn, đá tảng có thể làm tường chống thấm bằng cừ bản bê tông cốt thép ứng suất trước (kích thước mặt cắt nhỏ nhưng khả năng chịu lực cao).
Các bản cừ bê tông cốt thép ứng suất trước được liên kết với nhau qua khớp nối âm dương tạo thành một liên kết vững chắc và kín nước.
Cừ bản bê tông cốt thép ứng suất trước được thi công bằng thiết bị chuyên dùng như: Búa rung kết hơp với hệ thống bơm thủy lực áp lực cao 150 kg/cm2 qua hệ thống ống dẫn trong bản cừ làm xói trôi đất nền. Theo hình 3.8.
* Ưu điểm:
+ Chống xâm thực tốt: Đặc biệt phù hợp với các hồ chứa ven biển.
+ Thời gian thi công nhanh giảm 40 ÷ 60% thời gian so với công nghệ thi công tường BTCT đúc tại chỗ.
* Nhược điểm:
+ Quá trình sản xuất và lắp dựng cọc đòi hỏi đội ngũ kỹ thuật phải có trình độ và kinh nghiệm cao.
Hình 3.8: Ứng dụng cừ bê tông cốt thép ứng suất trước chống thấm a4) Tường chống thấm bằng cừ bản nhựa
Ở vị trí đắp đập đất mềm yếu, chiều sâu nền <10m vùng mặn ven biển, có thể sử dụng cừ bản nhựa để chống thấm, chống sạt lỡ bờ kè, kéo dài đường thấm dưới đáy công trình, dùng làm đê quay, đê bao quanh hố móng... Cừ bản nhựa được chế tạo từ PVC và các phụ gia đặc biệt, do vậy có độ bền cao, có thể lên đến 50 năm (Hình 3.9).
Để tăng khả năng chịu lực, cừ bản nhựa cấu tạo dạng dầm chữ I, các bản nhựa liên kết với nhau qua khớp nối âm dương vừa khít với nhau. Cừ bản nhựa có nhiều loại:
- Chiều dày bản nhựa: 5÷12,5mm;
- Chiều rộng: 250÷330mm;
- Chiều dài: 5÷10m.
Hình 3.9: Ứng dụng cừ bản nhựa chống thấm và chống sạt lở công trình
a5) Tường hào chống thấm bằng hỗn hợp dung dịch Bentonite - xi măng
Trong những năm qua ở lĩnh vực xây dựng công trình thuỷ đã có nhiều biện pháp chống thấm mới được ứng dụng mang lại hiệu quả kinh tế cao góp phần nâng cao chất lượng công trình đặc biệt là công nghệ mới tường hào chống thấm bentonite.
Tường hào chống thấm là loại tường được thi công bằng biện pháp chung là đào hào trong dung dịch Bentonite trước sau đó sử dụng hỗn hợp vật liệu: Xi măng + Bentonite + Phụ gia, sau thời gian nhất định hỗn hợp này đông cứng lại tạo thành tường chống thấm cho thân và nền đập. Tường hào được thi công trong dung dịch Bentonite – gọi tắt là “ hào Bentonite ” là hố móng có mái dốc đứng, hẹp, sâu được thi công trong điều kiện luôn có dung dịch Bentonite. Hào thường có chiều rộng 0,5 ÷ 0,9m, chiều sâu 5 ÷ 120m.
Để có thể đào hào rất sâu và duy trì mái dốc thẳng đứng, trong quá trình thi công phải duy trì liên tục hỗn hợp nước và sét Bentonite dày trong hào giữ cho vách hào luôn được ổn định. Sau khi hào được thi công sẽ bơm hỗn hợp vật liệu Xi măng + Bentonite + Phụ gia tạo nên tường chống thấm, yêu cầu khả năng chống thấm của tường K < 10-6 cm/s, kết cấu mềm phù hợp với biến dạng đập (Hình 3.10).
Hình 3.10: Thi công tường hào bentonite chống thấm
Ở Việt Nam, tường hào chống thấm bentonite lần đầu được áp dụng thành công ở công trình Dầu Tiếng (Tây Ninh) năm 2000. Kết quả đo đạc sau khi xây dựng tường hào chống thấm cho thấy lưu lượng thấm qua đập giảm 35 ÷ 50% so với khi chưa xử lý.
* Ưu điểm:
- Chống thấm đạt hiệu quả cao K = 10-7 – 10-5 cm/s;
- Dung dịch xi măng + bentonite được trộn theo dây chuyền công nghệ tiêu chuẩn thống nhất nên thuận lợi trong thiết kế, thi công, vận chuyển và kiểm soát chất lượng;
- Thi công trên nền cát cuội sỏi có hệ số thấm lớn, tầng thấm nằm sâu;
- Khi địa hình xây dựng chật hẹp vẫn áp dụng được công nghệ này.
* Nhược điểm:
- Máy móc thi công quá cồng kềnh, phức tạp;
- Không thi công được khi nền là đá lăn, đá tảng;
- Giá thành công trình cao.
* Phạm vi áp dụng:
- Chủ yếu sử dụng công nghệ này để sửa chữa chống thấm cho các đập đất.
- Sử dụng khi địa hình chật hẹp, yêu cầu chống thấm cao, tầng thấm nước sâu và hệ số thấm lớn.
b) Đề xuất phương pháp chống thấm cho đập đất hồ chứa Diên Trường
Trong thiết kế sữa chữa nâng cấp đập đất hồ Diên Trường năm 2010 do nguồn vốn bị cắt giảm nên chỉ dùng biện pháp chống thấm cho thân và nền đập đoạn lòng suối là biện pháp khoan phụt dung dịch vữa xi măng - bentonit với tổng chiều dài khoan phụt là 88,5m, phần còn lại chiều dài là 256,5m cần tiếp tục có một giải pháp chống thấm. Như trình bày ở phần hiện trạng trên hiện nay xuất hiện vết nứt cục bộ trên mặt đập và thấm cục bộ mái hạ lưu, về hiện tượng nứt dọc đập theo nhận định của đơn vị quản lý đập cũng như tác giả có thể nguyên nhân do nền đập bị lún. Căn cứ vào hiện trạng công trình, các tài liệu thiết kế có liên quan địa chất nền, thân đập cũng như kết quả tính toán, đồng thời nghiên cứu những phương án xử lý chống thấm đang tác giả đã giới thiệu ở phần trên đang được sử dụng phổ biến hiện nay. Xem xét chất lượng, khả năng chống thấm, ưu nhược điểm của mỗi phương án chống thấm và lựa chọn phương án tối ưu, thích hợp nhất để áp dụng cho công trình hồ chứa nước Diên Trường, sao cho trong quá trình thi công xử lý chống thấm đòi hỏi không ảnh hưởng đến môi trường nguồn nước và khả năng vận hành của đập. Sau khi nghiên cứu, tác giả đề xuất phương án xử lý chống thấm bằng cọc xi măng đất (phương pháp Jet - Grouting) để chống thấm cho thân đập, nền đập.
b1) Giới thiệu về công nghệ Jet – Grouting
Công nghệ Jet - grouting là công nghệ trộn ximăng với đất tại chỗ dưới sâu.
Trước tiên đưa cần khoan đến đáy cọc dự kiến thì dừng lại và bắt đầu bơm vữa ximăng phụt ra thành tia ở đầu mũi khoan, vừa bơm vữa vừa xoay cần khoan rút lên. Tia nước và vữa phun ra với áp suất cao (200 - 400 atm), vận tốc lớn ( 100 m/s) làm cho các phần tử đất xung quanh lỗ khoan bị xói tơi ra, hòa trộn với vữa phụt, sau đó đông cứng tạo thành một cọc đồng nhất (Hình 3.11).
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý dây chuyền công nghệ Jet – Grouting Theo lịch sử phát triển, đã có 3 công nghệ là S( Single Jet), D(Twin Jet) và T(
Triple Jet) ra đời nhằm đạt được mục tiêu tạo cọc có đường kính ngày càng lớn hơn và chất lượng trộn đồng đều hơn. Dưới đây giới thiệu chi tiết từng loại công nghệ sau:
- Công nghệ đơn pha (Công nghệ S): Sử dụng cần khoan nòng đơn với đầu mũi chỉ có một lỗ phun (nozzel). Vữa phụt ra với vận tốc 100m/s, vừa cắt đất vừa trộn vữa với đất một cách đồng thời, tạo ra một cọc đất-ximăng đồng đều (Hình 3.12).
Theo công nghệ này, thông thường đường kính cọc tạo ra từ 60 đến 80 cm tùy vào loại đất. Khả năng tạo chiều dài cọc đến 25m. Đây là thế hệ thiết bị đầu tiên.
Hình 3.12: Cần khoang nòng đơn Jet-grouting, công nghệ đơn pha (Single Jet) - Công nghệ hai pha (Công nghệ D): Sử dụng cần khoan nòng đôi, nòng trong phun vữa, nòng ngoài phun khí. Hỗn hợp vữa được bơm ở áp suất cao (> 200 atm) phun ra ở vòng trong, đồng thời bơm khí nén (> 20atm) phun ra ở vòng ngoài. Tia khí nén sẽ bao bọc quanh tia vữa làm giảm ma sát, cho phép vữa xâm nhập sâu vào trong đất, do vậy tạo ra cọc đất-ximăng có đường kính lớn (Hình 3.13 và Hình 3.14). Theo công nghệ này, thông thường đường kính cọc tạo ra từ 80 đến 150 cm tùy vào loại đất.
Khả năng tạo chiều dài cọc đến 45m. Đây là thiết bị phổ biến hiện nay.
Hình 3.13: Cần khoan nòng đôi Jet-grouting, công nghệ hai pha (Twin Jet)
Hình 3.14: Hình ảnh cấu tạo chi tiết công nghệ hai pha (Twin Jet) - Công nghệ ba pha (Công nghệ T): Sử dụng cần khoan nòng ba. Đầu mũi khoan gắn 2 lỗ phun, lỗ phun đơn phía dưới để phun vữa, lỗ phun kép nằm phía trên để phun nước và khí. Nước được bơm dưới áp suất cao, kết hợp với dòng khí nén xung quanh tia nước có tác dụng phá vỡ đất sơ bộ. Vữa được bơm qua một vòi riêng biệt nằm dưới lấp đầy vữa vào các phần tử đất vữa được phá vỡ (Hình 3.15 và Hình 3.16).
Theo công nghệ này, thông thường đường kính cọc tạo ra từ 100 đến 500 cm tùy vào loại đất. Khả năng tạo chiều dài cọc đến 50 m. Loại thiết bị này ít phổ biến, chỉ sử dụng khi có những yêu cầu phải tạo cọc có đường kính 3 ~ 5m hoặc những yêu cầu đặc biệt khác.
Hình 3.15: Cần khoan nòng ba Jet-grouting, công nghệ ba pha (Triple Jet)
Hình 3.16: Hình ảnh cấu tạo chi tiết công nghệ ba pha (Triple Jet) b2) Dây chuyền thiết bị công nghệ
Dây chuyền thiết bị công nghệ bao gồm:
- Thiết bị khoan (kết hợp phun vữa) phải có bộ cài đặt và điều khiển tốc độ rút cần, tốc độ vòng xoay. Điều chỉnh độ thẳng của cần bằng kích thủy lực kết hợp bọt nước.
- Bơm cao áp: Bơm cao áp hoạt động theo nguyên lý pistông, áp lực bơm từ 200 ~ 400 atm (20 ~ 40 MPa) điều chỉnh được trong quá trình thi công. Bơm phải có đồng hồ đo áp lực, lưu lượng, đo tốc độ vòng tua của động cơ, van an toàn. Kèm theo còn có dây dẫn vữa cao áp đến cần khoan. Trong một số trường hợp đặc biệt (dây dẫn quá dài), trên đường dẫn còn bố trí đồng hồ đo áp lực để điều chỉnh máy bơm nếu áp lực bị tổn thất. Nó có thể kết hợp để ghi lại lượng vữa đã đi qua.
- Máy trộn vữa: Máy trộn vữa ximăng phải có dung tích tối thiểu 200 lít, loại thùng kép nhằm tăng độ khuấy đều. Một thùng trộn sơ cấp có tốc độ quay thấp, thùng thứ cấp tốc độ quay cao hơn. Ximăng và nước phải đong đếm và ghi lại. Trong trường hợp sử dụng xilô để cấp ximăng thì có thể gắn thiết bị đo đếm ximăng tại xilô, tuy nhiên phải kiểm định đồng hồ đo định kỳ để đảm bảo độ chính xác. Trong trường hợp ximăng cấp bằng bao, nước đong bằng thùng thì phải có quy trình giám sát chặt chẽ.
Ngoài các thiết bị chính nêu trên còn có những thiết bị khác như: máy bơm nước, cẩu, máy nâng chuyển, ôtô vận chuyển, máy toàn đạc điện tử, v.v.
b3) Phạm vi ứng dụng công nghệ Jet- Grouting
Ứng dụng và phát triển công nghệ Jet- grouting trong các lĩnh vực [12]:
- Chống thấm đáy cống;
- Chống thấm cho đập đất, các công trình thủy lợi khác;
- Gia cố móng cho công trình trên đất yếu;
- Giải phép phụ trợ cho thi công cọc Barretd.
b4) So sánh công nghệ Jet-gouting với các kiểu khoan phụt:
Các sơ đồ nguyên lý các dạng khoan phụt (khoan phụt truyền thống, khoan phụt kiểu ép đất, khoan phụt thẩm thấu, khoan phụt jet-grouting như ở Hình 3.17 và [12]:
Khoan phụt truyền thống Khoan phụt kiểu ép đất Khoan phụt thẩm thấu Khoan phụt Jet-grouting (KPCA)
Hình 3.17: Nguyên lý một số công nghệ khoan phụt chống thấm - Khoan phụt truyền thống:
Khoan phụt truyền thống (còn được gọi là khoan phụt có nút bịt). Mục tiêu của phương pháp là sử dụng áp lực phụt để ép vữa xi măng (hoặc ximăng – sét) lấp đầy các lỗ rỗng trong các kẽ rỗng của nền đá nứt nẻ. Gần đây, đã có những cải tiến để phụt vữa cho công trình đất (đập đất, thân đê, ... ).
Phương pháp này sử dụng khá phổ biến trong khoan phụt nền đá nứt nẻ, quy trình thi công và kiểm tra đã khá hoàn chỉnh. Tuy nhiên, với đất cát mịn hoặc đất bùn yếu, mực nước ngầm cao hoặc nước có áp thì không kiểm soát được dòng vữa sẽ đi theo hướng nào.
- Khoan phụt kiểu ép đất:
Khoan phụt kiểu ép đất là biện pháp sử dụng vữa phụt có áp lực, ép vữa chiếm chỗ của đất.
- Khoan phụt thẩm thấu:
Khoan phụt thẩm thấu là biện pháp ép vữa (thường là hoá chất hoặc ximăng cực mịn) với áp lực nhỏ để vữa tự đi vào các lỗ rỗng. Do vật liệu sử dụng có giá thành cao nên phương pháp này ít áp dụng.
- Khoan phụt cao áp ( Jet-grouting):
Công nghệ trộn xi măng với đất tại chỗ, dưới sâu tạo ra cọc xi măng đất được gọi là công nghệ trộn sâu (Deep Mixing-DM) [13]:.
Hiện nay phổ biến hai công nghệ thi công cọc xi măng đất là: Công nghệ trộn khô (Dry Mixing) và Công nghệ trộn ướt (Wet Mixing).
+ Công nghệ trộn khô (Dry Mixing): Công nghệ này sử dụng cần khoan có gắn các cánh cắt đất, chúng cắt đất sau đó trộn đất với vữa xi măng bơm theo trục khoan (Hình 3.18 và hình 3.19).
Hình 3.18: Công nghệ thi công cọc Xi măng đất theo kiểu cơ khí ( trộn khô)
Hình 3.19: Trình tự thi công cọc xi măng đất bằng công nghệ trộn khô
Quy trình thi công theo công nghệ trộn khô [12] có thể theo 5 bước (Hình 3.19):
- Bước 1: Định vị máy khoan vào đúng vị trí khoan cọc bằng máy toàn đạc điện tử;
- Bước 2: Bắt đầu khoan, mũi khoan đi xuống độ sâu theo thiết kế đồng thời phá tơi đất;
- Bước 3: Bắt đầu phun xi măng và trộn đều vào đất trong khi mũi khoan đang đi lên;
- Bước 4: Hành trình khoan xoay bơm và trộn đều xi măng vào đất lưu lượng đúng thiết kế.
- Bước 5: Kết thúc thi công cọc xi măng đất theo đúng độ sâu theo thiết kế.
* Ưu điểm của công nghệ trộn khô: Thiết bị thi công đơn giản; hàm lượng xi măng sử dụng ít hơn; quy trình kiểm soát chất lượng đơn giản hơn công nghệ trộn ướt.
* Nhược điểm của công nghệ trộn khô: Do cắt đất bằng các cánh cắt nên gặp hạn chế trong đất có rác, đất sét, cuội đá, hoặc khi cần xuyên qua các lớp đất cứng hay tấm bê tông; Chiều sâu xử lý hạn chế khoảng 25m, đường kính cọc đến 1m; chất lượng cọc không đều.
+ Công nghệ trộn ướt (Wet Mixing): Phương pháp này dựa vào nguyên lý cắt nham thạch bằng dòng nước áp lực. Khi thi công, trước hết dùng máy khoan để đưa ống bơm có vòi phun bằng hợp kim vào tới độ sâu phải gia cố (nước + XM) với áp lực khoảng 20 MPa từ vòi bơm phun xả phá vỡ tầng đất. Với lực xung kích của dòng phun và lực li tâm, trọng lực... sẽ trộn lẫn dung dịch vữa, rồi sẽ được sắp xếp lại theo một tỉ lệ có qui luật giữa đất và vữa theo khối lượng hạt. Sau khi vữa đông cứng lại sẽ thành cột xi măng đất (Hình 3.20) [13]:.
Hình 3.20: Công nghệ thi công Jet - Grouting (trộn ướt)