IV. Cỏch tiếp cận và phương phỏp nghiờn cứu
3.2. Cỏc phương ỏn và tớnh toỏn từng phương ỏn xử lý sự cố cống Tắc
3.2.1. Cỏc phương ỏn xử lý sự cố
3.2.1.1. Cỏc phương ỏn chống thấm cho cụng trỡnh sau sự cố
Theo nguyờn tắc chung để ngăn chặn dũng thấm và khụng để xảy ra xúi ngầm cần phải kộo dài đường viền thấm và khoan phụt lấp đầy lỗ rỗng tăng khả năng chống thấm cho đất nền và vai cống. Cỏc phương ỏnxử lýchống thấm chosự cố cống Tắc giang là:
1. Phương ỏn 1: Kộo dài đường viền thấm theo phương ngang và giảm gradien
thấm ở cửa ra để chống xúi ngầm bằng cỏch: Kộo dài sõn phủ thượng lưu và làm tầng lọc ngược thoỏt nước ở hạ lưu.
Hỡnh 3.1. Biện phỏp kộo dài sõn trước và làm lỗ thoỏt nước, tầng lọc ngược ở cửa ra của dũng thấm
Biện phỏp này khụng thực hiện ngay được do mực nước ngoài sụng và trong đồng cao, việc đắp đờ quai và làm khụ toàn bộ hố múng sẽ kộo dài thời gian thi cụng do chịu ảnh hưởng nhiều của thời tiết và điều kiện thủy văn. Thực tế đó sử dụng màng HDPE dày 1mm rải phớa trước sõn thượng lưu với mục tiờu bịt miệng vào của dũng thấm và kộo dài đường viền thấm nhưng khụng thành cụng do nước sõu 7m nờn việc rải vải khụng được như mong muốn [7].
2. Phương ỏn 2: Kộo dài đường viền thấm theo phương đứng bằng cỏch: Đúng cừ
truyền thống (cừ thộp, cừ gỗ, cừbờ tụng cốt thộp, cừ nhựa PVC):
Hỡnh 3.2. Biện phỏp đúng cừ thộp hai bờn vai cống phớa thượng lưu ở vị trớ tiếp giỏp sõn trước và bản đỏy cống
Với điều kiện địa chất tầng thấm dày ta chọn cừ thộp. Cừ thộp cú ưu điểm: Chiều dài lớn, độ kớn nước cao, thiết bị thi cụng phổ thụng nờn nhiều Nhà thầutrong nước thi cụng được. Tuy nhiờn vị trớ đúng cừ tốt nhất là tại phần chõn khay thượng lưu nối tiếp với bản đỏy điều này khụng thớch hợp với cống cũ vỡ cú thể làm ảnh hưởng đến kết cấu của bản đỏy và tường cỏnh. Thực tế ỏp dụng ở cống Tắc Giang cho
thấy: Trong đất nền là cỏt, cú lẫn đỏ hộc, rọ đỏ thả xuống trong lỳc xử lý khẩn cấp khi xảy ra sự cốthỡ khụng đúng được cừ: Cụ thể sử dụng bỳa 4,5 tấn chỉ đúng sõu được 4m. Thay bỳa 6 tấn cũng chỉ xuống được 6m. Khú thi cụng trong điều kiện mặt bằng chật hẹp do thiết bị lớn. Khụng thể xử lý tiếp giỏp giữa cừ mới đúng và hàng cừ đỏy cống và đỏy õu [7]. Do đú biện phỏp đúng cừ thộp khụng thể ỏp dụng được.
3. Phương ỏn 3: Kộo dài đường viền thấm theo phương đứng bằng cỏch: Làm
tường chống thấm bằng cỏc cọc xi măng-đất khoan phụt theo cụng nghệ Jet- grouting. Biện phỏp nàycú ưu điểm:
- Cú thể chống thấm cho nền cỏt kớch thước hạt nhỏ đến 0,005mm, cú thể xuyờn qua lớp đất cứng hoặc cỏc tấm bờ tụng, khả năng xử lý, thi cụng trong điều kiện chật hẹp, cụng trỡnh ngập nước, xử lý được phần nền dưới bản đỏycống;
- Đó ứng dụng thành cụng trong việc xử lý cỏc cụng trỡnh tương tự như: Cống tiờu D10-Hà Nam, cống Sụng Cui-Long An, cống Cầu Bựng-Nghệ An…. Khả năng xử lý sõu cú thể lờn đến 50m;
Hỡnh 3.3. Biện phỏp chống thấm bằng tường xi-măng đấthai bờn vai cống phớa thượng lưu ở vị trớ tiếp giỏp sõn trước và bản đỏy cống
Với địa chất nền cống Tắc Giang lớp 4 là lớp cỏt hạt nhỏ, mực nước ngầm cao, nước cú ỏp nếu khoan phụt theo truyền thống thỡ khú kiểm soỏt được dũng vữa sẽ đi theo hướng nào. Vỡ vậy ta chọn phương ỏn xử lý cống Tắc Giang là chống thấm bằng cọc xi măng-đất thi cụng bằng cụng nghệ Jet-grouting, kết hợp khoan phụt ỏp lực thấp để bự nền.
3.2.1.3. Thiết kế tường chống thấm bằng cọc xi măng-đất
1. Nhiệm vụ của tường
- Hạ thấp đường bóo hũa trong thõn đờ để nõng cao độ ổn định của đờ;
- Giảm gradien thấm trong thõn đờ và vựng cửa ra để ngăn chặn cỏc khả năng xảy ra biến dạng của đất do tỏc dụng của dũng thấm làm phỏt sinh thấm tập trung trong thõn đờ và nền đờ, ở phần tiếp giỏp giữa đất đắp và đỏy hố múng thi cụng đẫn đến sự cố;
- Giảm lưu lượng thấm qua thõn đờ và nền đờ.
2. Cỏc thụng số của tường chống thấm phớa thượng lưu
Xỏc định thụng số của tường chống thấm theo TCVN 8216-2009 Thiết kế đập đất đầm nộn, đối với trường hợp màn chống thấm trong nền bồi tớch tại điều 7.2.3 như sau:
- Chiều dày tường chống thấm ( tại điều 7.2.3.4): 𝑇 =𝐻𝐽 Trong đú:
H : Cột nước tỏc dụng lớn nhất, H = 4,92 m;
J : Gradien cho phộp của tường chống cúthể lấy J ≤ 3 đến 4; chọn J = 3,5→ chiều dày tường chống thấm: T = 43.92.5 = 1,4 m;
- Số hàng khoan: Một hàng cọc xi măng-đất đường kớnh D = 0,8m; khoảng cỏch giữa cỏc hàng là 0,5m nờn số hàng khoan là: n = 1,4
0,5 = 2,8 m ; chọn n=3 hàng→ chiều dày tường T = 3.0,5 =1,5m, độ chồng khớt giữa cỏc hàng cọc là 0,3m→ khoảng cỏch giữa cỏc cọc là 0,62m, độ chồng khớt giữa cỏc cọc là 0,18m→ để phũng trường hợp cọc bị nghiờng ta chọn khoảng cỏch giữa cỏc cọc là 0,6cm, độ chồng khớt giữa cỏc cọc là 0,2cm;
- Chiều sõu tường: Ht = (0,6-1).H →Ht = (0,6-1).4,92 = (2,95-4,92)m; chọn Ht =
4,5 m;
- Chọn cao trỡnh đỏy tường: Do nền bị xúi rỗng, phải khoan lấp đầy và gia cố, nờn chiều sõu tường chống thấm được tớnh từ đỏy mặt nền bị xúi lở ở cao trỡnh -6m→ cao trỡnh đỏy tường bằng -6 - 4,5 = -10,5m. Tuy nhiờn do dưới bản đỏy cống thượng lưu đúng cừ thộp dài 10m, cao trỡnh đỏy cừ -13,7m; nờn để hỡnh thành một tuyến chống thấm đồng bộ từ vai phải õu thuyền qua vai trỏi cống ta chọn cao trỡnh đỏy tường chống thấm -13,5m;
- Cao trỡnh đỉnh tường: Chọn cao hơn mực nước thượng lưu ứng với cặp nước lớn nhất kể từ khi cụng trỡnh vận hành đến thời điểm xảy ra sự cố là +5m, để an toàn ta chọn bằng + 5,5m;
Như vậy chiều cao tường +5,5 - (-13,5) = 19m.
3. Cỏc thụng số của tường chống thấm phớa hạ lưu
- Phớa hạ lưu ta bố trớ 2 hàng cọc→ chiều dày tường chống thấm là 1m; khoảng cỏch giữa cỏc hàng cọc là 0,5m, giữa cỏc cọc là 0,6m; độ chồng giữa cỏc hàng cọc là 0,3m, giữa cỏc cọc là 0,2m;
- Cao trỡnh đỏy tường: Do phớa hạ lưu trong cống cú cừ thộp cao trỡnh đỏy -6,7m, nờn để hỡnh thành một tuyến chống thấm đồng bộ từ vai phải qua vai trỏi cống ta chọn cao trỡnh đỏy tường bằng -6,5m;
- Cao trỡnh đỉnh tường: Chọn lớn hơn mực nước lớn nhất phớa hạ lưu là +4m để an toàn ta chọnbằng +4,5m;
Vậy chiều cao tường phớa hạ lưu là 11m.
4. Bố trớ cọc xi măng đất ở vị trớ tiếp giỏp với cừ cũ
Để đảm bảo độ ngàm chặt ở phần tiếp giỏp giữa tường chống thấm với cừ thộp hai bờn vai cốngtại vị trớ cừ thộp ta bố trớ cọc xi măng đất cú đường kớnh D =1m.
Hỡnh 3.6. Sơ đồ bố trớ cọc xi măng- đất tại vị trớ tiếp giỏp với cừ thộp
3.2.1.4. Cỏc phương ỏn xử lý sự cố
1. Phương ỏn 1
- Làm tường chống thấm bằng cọc xi măng-đất thi cụng theo cụng nghệ Jet-grouting phớa thượng lưu dọc theo tuyến cừ cũ, hai bờn vai cống; cao trỡnh đỏy tường -13,5m; cao trỡnh đỉnh tường + 5,5m; tường cao 19m; chiều dày tường bằng 1,5m ( 3 hàng cọc xi măng-đất );
- Đắp đất hai bờn vai cống;
- Kết hợp khoan phụt ỏp lực thấp để bự nền, phần bự rỗng nền đến cao trỡnh -6m; - Lắp đặt hệ thống quan trắc thấm; thử tải cụng trỡnh; hoàn thiện cụng trỡnh.
2. Phương ỏn 2
- Làm tường chống thấm phớa thượng lưunhư phương ỏn 1
- Làm tường chống thấm phớa hạ lưu dọc theo tuyến cừ cũ, hai bờn vai cống và dọc hai bờn vai cống (thay phần đất đắp hai bờn vai cống). Cao trỡnh đỏy tường -6,5m; cao trỡnh đỉnh tường +4,5m; tường cao 11m; chiều dày tường 1m ( hai hàng cọc xi măng-đất );
- Làm lỗ thoỏt nước và tầng lọc ngược ở sõn tiờu năng;
- Kết hợp khoan phụt ỏp lực thấp để bự nền, phần bự rỗng nền đến cao trỡnh -6m; - Lắp đặt hệ thống quan trắc thấm; thử tải cụng trỡnh; hoàn thiện cụng trỡnh.
3. Phương ỏn 3
- Làm tường chống thấmphớa thượng lưu như phương ỏn 1
- Làm tường chống thấm phớa hạ lưu dọc theo tuyến cừ cũ, hai bờn vai cống và dọc hai bờn vai cống (thay phần đất đắp hai bờn vai cống). Cao trỡnh đỏy tường -6,5m; cao trỡnh đỉnh tường -1,5m ( bằng cao trỡnh đỏy cống); tường cao 5m; chiều dày tường 1m ( hai hàng cọc xi măng-đất );
- Làm lỗ thoỏt nước và tầng lọc ngược ở sõn tiờu năng;
- Kết hợp khoan phụt ỏp lực thấp để bự nền, phần bự rỗng nền đến cao trỡnh -6m; - Lắp đặt hệ thống quan trắc thấm; thử tải cụng trỡnh; hoàn thiện cụng trỡnh.
3.2.2. Tớnh toỏn cỏc phương ỏn xử lý sự cố
- Mực nước tớnh toỏn: Theo quyết định 2310QĐ/BNN-XD ngày 24/10/2006 của Bộ NN&PTNT cỏc mực nước dựng trong thiết kế [2]:
+ Mực nước: BĐI = +5,5m; BĐII = +6,3m; BĐIII = +7,1m; + Mực nước thiết kế đờ sụng Hồng: +8,21m;
+ Mực nước lũ thiết kế trờn sụng Chõu Giang: +4,55m;
+ Mực nước lịch sử thượng lưu cống Tắc Giang tại sụng Hồng (ngày 22/08/1971): +8,83m;
+ Mực nước lịch sử hạ lưu cống Tắc Giang tại sụng Chõu (ngày 22/08/1971): +4m; + Mực nước thiết kế dõng nước tưới phự sa tại cống điều tiết đập Phỳc: +3,6m; + Mực nước trung bỡnh nhiều năm: +2,18m.
Bảng 3.1. Bảng tổng hợp cỏc cặp mực nước STT Trường hợp Mực nước sụng Hồng (m) Mực nước sụng Chõu (m) Chờnh lệnh mực nước (m) 1 Sự cố +5,00 m +2,60 m 2,40 m 2 Mực nước thiết kế +4,07 m +0,35 m 3,62 m 3 Mực nước lũ lịch sử ngày 22/08/1971 +8,83m +4,00 m 4,83 m 4 Mực nước BĐIII +7,10 m +2,18 m 4,92 m
Trong cỏc cặp mực nước ta chọn trường hợp bất lợi về thấm để tớnh toỏn là chờnh lệch mực nước thượng hạ lưu lớn nhất: Mực nước thượng lưu +7,1m; mực nước hạ lưu +2,18m; chờnh lệch mực nước thượng hạ lưu +4,92m;
- Phương phỏp tớnh toỏn: Quỏ trỡnh tớnh thấm được mụ hỡnh húa theo bài toỏn phẳng, bằng cỏch giải phương trỡnh vi phõn cơ bản của dũng thấm theo phương phỏp phần tử hữu hạn. Sử dụng phần mềm Geo-slope 2004 modul SEEP/W để tớnh toỏn thấm ổn định thấm cục bộ. Gradien thấm cục bộ ở vựng dũng thấm thoỏt ra kiểm tra theo cụng thức: Jramax≤ [J]
Trong đú:
Jramax : Gradien cục bộ lớn nhất tại cửa ra. [J] : Gradien cột nước tới hạn cục bộ:
- Đối với lớp 4 ta chọn [J] = 0,3; khi cú tầng lọc ngược: [J] = 0,6 để kiểm tra điều kiện xúi ngầm;
- Đất đắp lớp 2 tra bảng 3-1 quy phạm thiết kế cống SD 133-84 quyển I ( tài liệu dịch), với đất thịt [J] = 0,5. Như vậy với đất đắp lớp 2 ta chọn [J] = 0,5 để kiểm tra điều kiện xúi ngầm.
3.2.2.1. Tớnh toỏn kiểm tra ổn định thấm cục bộ khi chưa cú tường chống thấm
1. Địa chất tớnh toỏn
Lớp bự nền ở cao trỡnh -6m theo yờu cầu cú hệ số thấm K = 10-4m/s, do nền cống bị xỏo trộn khi xảy ra sự cố nờn ta giả thiết lớp bự nền chỉ đạt hệ số thấm K = 10-3m/s để tớnh toỏn kiểm tra ổn định thấmcục bộ.
Bảng 3.2. Cỏc lớp đất và hệ số thấm dựng trong tớnh toỏn
STT Lớp đất Hệ số thấm (m/s) Ghi chỳ
1 Đất đắp lớp 1 1. 10-7 Theo tài liệu địa chất
2 Đất đắp lớp 2 5. 10-8 Theo tài liệu địa chất
3 Lớp đất nền 4 7.10-5 Theo tài liệu địa chất
4 Lớp đất nền 5 5.10-5 Theo tài liệu địa chất
5 Lớpđất nền 6 5.10-6 Theo tài liệu địa chất
2. Cỏc mặt cắt tớnh toỏn
Lớp bự nền ở dưới vai phải giữa cống và õu thuyền từ vị trớ trước tường cỏnh 8m đến giữa đờ, cao trỡnh đỏybằng -6m, chiều dài bằng 34m;
Hỡnh 3.7. Mặt cắt vai phải giữa cống và õu thuyền
Lớp bự nềnở dưới vai trỏi cống từ mộp đờ phớa hạ lưu đến sau tường cỏnh 8m, cao trỡnh đỏy bằng -6m, chiều dài bằng 33,25m;
Hỡnh 3.8. Mặt cắt vai trỏi cống
Lớp bự nền dưới mặt cắt chộo qua thõn cống, kộo dài từ thượng lưu trước tường cỏnh 8m, sau tường cỏnh hạ lưu 8m, nhưng với giả thiết hệ số thấm lớp bự nền bằng 10-3m/s, ta xột trường hợp bất lợi đối với xúi ngầm là nền cống bị rỗng phớa thượng
lưu, cao trỡnh đỏy lớp bự bằng -6m, chiều dài bằng 46m, cũn hạ lưu là lớp nền nguyờn dạng;
Hỡnh 3.9. Mặt cắt chộo qua thõn cống
Lớp bự nền dưới mặt cắt dọc thõn cống, vị trớ nền bắt đầu bị rỗng trước sõn trước 3,3m nhưng do phần nền tiếp giỏp phải búc bỏ để xử lý nờn ta tớnh lớp bự nền từ vị trớ cỏch sõn trước 8m, cho đến hàng cừ hạ lưu bản đỏy cống, chiều dài nền bị rỗng bằng 47,2m; cao trỡnh đỏy bằng -6m;
Hỡnh 3.10. Mặt cắt dọc cống, khớp nối thượng hạ lưu hỏng
Mặt cắt thấm vũng quanh bờ vai phải cống, khớp nối thượng hạ lưu hỏng, lớp đất
đắp cú hệ số thấm K = 5.10 -8m/s nhưthiết kế;
Hỡnh 3.12. Mặt cắt vũng quanh bờ vai phải cống
Mụ hỡnh húa, điều kiện biờn và biểu đồ gradien thấm (phụ lục 2), kết quả tớnh toỏn và kiểm tra ổn định thấmcục bộnhư bảng 3.3;
Bảng 3.3. Kết quả tớnh toỏn và kiểm tra ổn định thấmcục bộ khi chưa cú tường chống thấm
STT Trường hợp tớnh toỏn Jramax [J] Kết luận 1 Mặt cắt vai phải giữa cống
và õu thuyền 0,32 0,3 Khụng đảm bảo ổn định thấm cục bộ, xúi ngầm tại mộp hạ lưu bờn phải 2 Mặt cắt vai trỏi cống 0,051 0,3 Ổn địnhthấm cục bộở cửa ra nhưng xảy ra xúi ngầm trong nền tại cửa vào 3 Mặt cắt chộo qua thõn cống 0,38 0,3 Khụng đảm bảo ổn định thấm cục bộ, xúi ngầm tại mộp hạ lưu bờn trỏi 4 Mặt cắt dọc cống, khớp nối thượng hạ lưu hỏng 0,22 0,3 Ổn địnhthấm cục bộ 5 Mặt cắt dọc cống, hàng cừ thượng hạ lưuhỏng 0,29 0,3 Ổn định thấm cục bộ nhưng gradien ở cửa ra gần bằng [J] 6 Mặt cắt thấm vũng vai phải cống 0,47 0,5 Ổn định thấm cục bộ
Từkết quả trờn ta thấy:
- Khi lớp bự nền cú hệ số thấm K =10-3m/s, cống làm việc với chờnh lệch mực nước lớn nhất bằng 4,92m thỡ cống sẽ bị xúi ngầm tại cửa ra mộp hạ lưu phớa bờn vai phải. Vỡ vậy cần cú biện phỏp giảm gradien tại mộp hạ lưu bờn phải cống;
- Khi lớp bự nền cú hệ số thấm K =10-3m/s, khớp nối thượng, hạ lưu hỏng, cống làm việc với chờnh lệch mực nước bằng 4,92m thỡ cống sẽ bị xúi ngầm tại cửa ra ở mộp hạ lưubờn trỏi. Vỡ vậy cần cú biện phỏp giảm gradien tại mộp hạ lưu bờn trỏi cống; - Khi lớp bự nền cú hệ số thấm K=10-3
m/s, hàng cừ thượng hạ lưu hỏng, cống làm việc với chờnh lệch mực nước bằng 4,92m thỡ gradien lớn nhất tại cửa ra ở mộp hạ lưu bằng 0,29 gần bằng gradien cho phộp. Vỡ vậy cần làm tầng lọc ngược ở cửa ra để giảm gradien thấmđảm bảo khụng sinh ra xúi ngầm.
3.2.2.2. Tớnh toỏn phương ỏn 1
1. Địa chất tớnh toỏn
Lớp bự nền ở cao trỡnh -6m do nền cống và đờ bị xỏo trộn khi xảy ra sự cố nờn ta
