Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hiệu quả hệ thống nêm cát thu lọc nước thấm trong nâng cấp, sửa chữa đập đất vừa và nhỏ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:147

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu hiệu quả hệ thống nêm cát thu lọc nước thấm trong nâng cấp, sửa chữa đập đất vừa và nhỏ" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về thấm và kiểm soát thấm ở đập đất; Nghiên cứu cơ sở lý luận về nêm cát; Nghiên cứu hiệu quả của nêm cát thu lọc nƣớc thấm tại đập Đồng Bể, tỉnh Thanh Hóa.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hiệu quả hệ thống nêm cát thu lọc nước thấm trong nâng cấp, sửa chữa đập đất vừa và nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM ___________________________________ PHẠM ĐÌNH VĂN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ HỆ THỐNG NÊM CÁT THU LỌC NƢỚC THẤM TRONG NÂNG CẤP, SỬA CHỮA ĐẬP ĐẤT VỪA VÀ NHỎ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HàNội - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM _________________________________ PHẠM ĐÌNH VĂN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ HỆ THỐNG NÊM CÁT THU LỌC NƢỚC THẤM TRONG NÂNG CẤP, SỬA CHỮA ĐẬP ĐẤT VỪA VÀ NHỎ Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trì nh thủy Mãsố : 9 58 02 02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS.TS. Nguyễn Quốc Dũng 2. TS. Phan Trƣờng Giang HàNội - 2019
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nh bày trong luận án làtrung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kýcông trì trì nh nào khác. Tôi xin cam đoan luận án đƣợc tiến hành nghiên cứu một cách nghiêm túc vàkết quả nghiên cứu của các nhànghiên cứu đi trƣớc đã đƣợc tiếp thu một cách chân thực, cẩn trọng, cótrích nguồn dẫn cụ thể trong luận án. HàNội, ngày tháng năm 2019 TÁC GIẢ LUẬN ÁN PHẠM ĐÌNH VĂN
ii LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trì nh thủy với đề tài “Nghiên cứu hiệu quả và bố trí hợp lý hệ thống nêm cát thu lọc nƣớc thấm trong nâng cấp sửa chữa đập đất vừa và nhỏ” là kết quả của quá trình cố gắng không ngừng của bản thân với sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các thầy, bạn bè đồng nghiệp và ngƣời thân. Qua trang viết này tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các cơ quan, các cá nhân đã giúp đỡ tôi trong thời gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua. Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với GS.TS. Nguyễn Quốc Dũng, TS. Phan Trƣờng Giang đã tận tình hƣớng dẫn cũng nhƣ cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết cho luận án này. Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam, phòng Đào tạo, nhóm nghiên cứu thuộc Viện Thuỷ công và đặc biệt là Tổng công ty TNHH MTV khai thác công trình Thuỷ lợi sông Chu đã cho phép đặt môhì nh thínghiệm tại Hồ chứa nƣớc Đồng Bể thuộc huyện Triệu Sơn, tỉnh Thanh Hóa, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, đơn vị công tác và gia đình đã giúp đỡ, ủng hộ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận án. TÁC GIẢ LUẬN ÁN PHẠM ĐÌNH VĂN
iii MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU………………………………………………………........ vi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ……………………………………………….. vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU…………………………………… x GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ………………………………………………………… xiii MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………… 1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THẤM VÀ KIỂM SOÁT THẤM Ở ĐẬP ĐẤT….. 7 1.1 Thấm lànguyên nhân chính gây mất an toàn đập .................................................... 7 1.2 Xử lýthấm cho đập đất khi hồ đang tích nƣớc......................................................... 9 1.2.1 Mục tiêu của xử lýthấm..................................................................................... 9 1.2.2 Cấu tạo đập đất với các kết cấu chống thấm vàkiểm soát thấm ....................... 9 1.2.3 Các giải pháp tăng tính chống thấm cho thân đập khi hồ đang tích nƣớc ....... 10 1.2.4 Kiểm soát thấm cho đập khi hồ đang tích nƣớc ............................................... 12 1.3 Tồn tại trong thiết kế kết cấu thu lọc và thoát nƣớc thấm hạ lƣu đập đất .............. 14 1.3.1 Vídụ ở nƣớc ngoài........................................................................................... 15 1.3.2 Vídụ ở Việt Nam ............................................................................................. 15 1.4 Cơ chế vỡ đập do thấm vàxói ngầm ...................................................................... 18 1.4.1 Sự hình thành vàphát triển của xói ngầm ở đập đất ........................................ 18 1.4.2 Xử lý đƣờng bão hòa trong thân đập dâng cao trên mái hạ lƣu ....................... 19 1.4.3 Xử lýhiện tƣợng xói ngầm vàlấp tắc trong tầng lọc....................................... 20 1.5 Tiêu chuẩn hƣớng dẫn thiết kế tầng lọc.................................................................. 23 1.5.1 Bộ phận thu lọc vàthoát nƣớc trong thân đập ở hạ lƣu ................................... 23 1.5.2 Yêu cầu đối với bộ phận thu lọc và thoát nƣớc thấm thân đập ........................ 23 1.5.3 Thành phần của hạt lọc ngƣợc ......................................................................... 24 1.5.4 Nhiệm vụ thiết kế tầng lọc ngƣợc .................................................................... 24
iv 1.5.5 Các trƣờng hợp tính toán khi thiết kế thành phần hạt của lọc ngƣợc .............. 24 1.5.6 Yêu cầu chung đối với kết cấu lọc ngƣợc trong công trì nh thủy công ............ 24 1.6 Giới thiệu sáng chế “nêm cát để thu lọc nƣớc thấm hạ lƣu đập đất” ..................... 26 1.6.1 Môtả sáng chế ................................................................................................. 26 1.6.2 Cơ chế lọc loại bỏ hạt bụi bằng băng khía rãnh đặt trong nêm cát .................. 28 1.6.3 Khả năng thu và lọc nƣớc của nêm cát ............................................................ 30 1.6.4 Chất lƣợng lọc sau khi qua nêm cát ................................................................. 31 1.7 Kết luận Chƣơng 1 .................................................................................................. 31 CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ NÊM CÁT…………………… 33 2.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................... 33 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................................ 33 2.2.1 Các phƣơng pháp nghiên cứu trong phân tí ch thấm đập đất ........................... 33 2.2.2 Ứng dụng phƣơng pháp mô hình số để phân tích thấm đập đất cónêm cát .... 35 2.3 Lựa chọn phần mềm để tính thấm vàkiểm tra an toàn về thấm ............................. 37 2.3.1 Giới thiệu phần mềm Seep/W .......................................................................... 37 2.3.2 Giới thiệu phần mềm Midas GTS .................................................................... 38 2.4 Phân tích thấm đập đất bằng phần mềm Midas ...................................................... 44 2.4.1 Xác định vùng an toàn vàvùng cónguy cơ mất an toàn về thấm ................... 44 2.4.2 Xét ổn định khi thi công đào rãnh lắp đặt nêm cát .......................................... 48 2.4.3 Ảnh hƣởng của khoảng cách nêm cát đến hiệu quả hạ thấp đƣờng bão hòa ... 52 2.5 Kết luận Chƣơng 2 .................................................................................................. 55 CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA NÊM CÁT THU LỌC NƢỚC THẤM TẠI ĐẬP ĐỒNG BỂ, TỈNH THANH HÓA................................................... 57 3.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................... 57
v 3.2 Hiện trạng thấm qua đập đất hồ Đồng Bể .............................................................. 58 3.2.1 Giới thiệu công trình ........................................................................................ 58 3.2.2 Môtả hiện trạng thấm ...................................................................................... 60 3.3 Thínghiệm hiện trƣờng xác định hiệu quả của nêm cát ........................................ 63 3.3.1 Sơ đồ bố tríthínghiệm..................................................................................... 63 3.3.2 Công tác chuẩn bị vàthi công lắp đặt .............................................................. 63 3.3.3 Phƣơng pháp đo ............................................................................................... 68 3.4 Kết quả quan trắc vàbình luận ............................................................................... 69 3.4.1 Kết quả quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng thấm thoát ra từ nêm cát............... 69 3.4.2 Xác định vị trí (cao độ) của đƣờng bão hoà đổ vào nêm cát ........................... 72 3.4.3 Kết quả đo chất lƣợng nƣớc ............................................................................. 75 3.5 So sánh giữa kết quả tính bằng phần mềm Midas với kết quả đo hiện trƣờng ...... 76 3.5.1 Số liệu tính toán ............................................................................................... 76 3.5.2 Các trƣờng hợp tính toán thấm ........................................................................ 77 3.5.3 Kết quả tính toán thấm bằng phần mềm Midas- bài toán phẳng ..................... 78 3.5.4 Phân tích thấm qua môhì nh Midas 3D ............................................................ 79 3.5.5 So sánh kết quả giữa môhì nh vật lývàmôhình toán ..................................... 81 3.6 Kết luận Chƣơng 3 .................................................................................................. 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 86 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ……………………… 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………. 90 PHỤ LỤC ……………………………………………………………………………….94
vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1 Tổng kết các hƣ hỏng đập đất tại Mỹ [29] ........................................................... 7 Bảng 1-2 Độ đục của nƣớc khi đã qua kết cấu lọc ở các công trình đã xây dựng ............ 31 Bảng 2-1 Hệ số thấm của thân vànền đập trong các trƣờng hợp tí nh toán ...................... 46 Bảng 2-2 Kết quả tính chiều cao điểm ra của đƣờng bão hòa a0 ...................................... 47 Bảng 2-3 Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu trong tí nh toán ......................................................... 48 Bảng 2-4 Hệ số ổn định vàgradient thấm khi đào rãnh 20 m, ..., 1 m ............................. 50 Bảng 2-5 Hệ số ổn định khi đào với kịch bản B (chiều rộng nêm cát là1 m) .................. 51 Bảng 2-6 Hệ số ổn định khi đào với kịch bản C (chiều rộng nêm cát là2 m) .................. 52 Bảng 2-7 Kết quả tính toán độ vồng của nêm cát với kịch bản D .................................... 55 Bảng 3-1 Thông số hiện trạng công trì nh [2] .................................................................... 59 Bảng 3-2 Kết quả quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng sau khi lắp đặt nêm cát, năm 2016 70 Bảng 3-3 Kết quả quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng sau một năm lắp đặt nêm, năm 2017 ............................................................................................................................................ 71 Bảng 3-4 Kết quả đo lƣu lƣợng qua các lớp băng trong nêm N2 ...................................... 73 Bảng 3-5 Bảng kết quả đo độ đục trƣớc vàsau nêm cát................................................... 75 Bảng 3-6 Thông số của đập đất Đồng Bể ......................................................................... 76 Bảng 3-7 Bảng chỉ tiêu cơ lý của đập vànêm cát............................................................. 77 Bảng 3-8 Bảng kết quả tính toán lƣu lƣợng và điểm ra của đƣờng bão hòa..................... 79 Bảng 3-9 Cao độ mực nƣớc tính toán tại các vị tríquan trắc so với kết quả đo thực tế .... 83
vii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ nh 1-1 Cấu tạo của đập đất với các kết cấu lọc và thoát nƣớc khác nhau [34]............. 10 Hì nh 1-2 Tƣờng chống thấm cho thân vànền đập............................................................. 10 Hì nh 1-3 Tƣờng nghiêng chống thấm + sân phủ .............................................................. 11 Hì nh 1-4 Tƣờng hào tại tim đập ....................................................................................... 11 Hì nh 1-5 Các dạng kết cấu lọc và thoát nƣớc ................................................................... 14 Hì nh 1-6 Vídụ về một công trình xử lýsai lầm ở Mỹ [39].............................................. 15 Hì nh 1-7 Bố tríhợp lýkết cấu lọc khi đắp áp trúc theo khuyến cáo của FEMA [36] ...... 15 Hì nh 1-8 Đắp áp trúc mái hạ lƣu ở đập QuýLộ (Nghệ An) [29] ..................................... 16 Hì nh 1-9 Đắp áp trúc mái hạ lƣu ở đập Triệu Thƣợng (Quảng Trị) [29] ......................... 17 Hì nh 1-10 Hình ảnh trƣợt mái hạ lƣu Triệu Thƣợng (Quảng Trị) [29] ............................ 17 Hì nh 1-11 Sử dụng ống đục lỗ ở đập Hàm Lợn (Sóc Sơn, Hà Nội) [29] ......................... 17 Hì nh 1-12 Quátrình pháhoại đập đất do dòng thấm ....................................................... 19 Hì nh 1-13 Thấm quámức ra mái hạ lƣu ............................................................................ 19 Hì nh 1-14 Ống xói hình thành dọc theo cống lấy nƣớc gây vỡ đập .................................. 19 Hì nh 1-15 Tiêu chí an toàn xét đến điểm ra của đƣờng bão hòa [18] .............................. 20 Hì nh 1-16 Cơ chế lọc vàlấp tắc tầng lọc [36] .................................................................. 22 Hì nh 1-17 Cắt theo chiều dòng thấm (cắt ngang đập) qua nêm cát [14]. ......................... 27 Hì Hì nh 1-18 Mặt bằng của hệ thống nêm cát bố trítheo dạng ngắt quãng [14] .................. 28 nh 1-19 Miêu tả cơ chế lọc hạt bụi của băng thu nƣớc khí Hì a rãnh [12] ......................... 29 nh 1-20 Ảnh chụp cách thi công lắp đặt băng thu nƣớc khí Hì a rãnh [12]........................ 29 nh 1-21 Kết quả thínghiệm khả năng thu nƣớc của băng [28] .................................... 30 Hì nh 2-1 Kết quả tính toán đƣờng bão hòa của các trƣờng hợp khác nhau [17] .............. 36 Hì nh 2-2 So sánh đƣờng bão hòa tí Hì nh bằng phần mềm Seep/W vàMidas GTS [17] ...... 36
viii nh 2-3 Cơ chế chiết giảm , c ....................................................................................... 42 Hì nh 2-4 Sơ đồ tính toán đƣờng bão hoàvàổn định ........................................................ 43 Hì nh 2-5 Môphỏng khả năng hút nƣớc của băng lọc ...................................................... 43 Hì nh 2-6 Sơ đồ tính toán ổn định khi đào rãnh để lắp nêm cát với đập H=15m .............. 44 Hì nh 2-7 Biểu đồ thống kêhệ số thấm thân đập với chiều cao đập dƣới 15 m ................ 45 Hì nh 2-8 Biểu đồ thống kêhệ số thấm nền đập với chiều cao đập dƣới 15 m ................. 46 Hì nh 2-9 Đƣờng bão hòa trong thân đập của các trƣờng hợp tí Hì nh toán ........................... 47 nh 2-10 Sơ đồ đào rãnh với chiều rộng khoang đào khác nhau (Kịch bản A) ............. 48 Hì nh 2-11 Bức tranh dòng thấm ra mái hạ lƣu ................................................................. 49 Hì nh 2-12 Quy luật thay đổi K vàJ khi đào theo kịch bản A.......................................... 50 Hì nh 2-13 Trƣờng hợp đào nhiều rãnh cùng lúc (Kịch bản B vàC) ................................ 51 Hì nh 2-14 Quy luật thay đổi K vàJ khi đào theo kịch bản B vàC .................................. 52 Hì nh 2-15 Mặt cắt đập cólắp đặt nêm cát ........................................................................ 53 Hì nh 2-16 Trƣờng hợp tính toán với kịch bản D .............................................................. 53 Hì nh 2-17 Sơ họa các kích thƣớc khi dòng thấm bị vồng lên do khoảng cách giữa các Hì nêm cát. a) khoảng cách nêm là3 m; b) khoảng cách nêm là5 m ..................................... 54 nh 2-18 Kết quả trích xuất từ phần mềm Midas để thấy độ vồng ................................ 54 Hì nh 2-19 Đƣờng bão hoàsau khi cónêm cát vàso sánh với tiêu chían toàn ................ 55 Hì nh 3-1 Vị tríhồ Đồng Bể - Thanh Hóa (nguồn google Map) ....................................... 58 Hì nh 3-2 Mặt cắt đập Đồng Bể sau khi đắp thêm khối áp trúc (năm 2003) [2] ............... 61 Hì Hì nh 3-3 Mặt bằng các vị tríxuất hiện thấm .................................................................... 61 nh 3-4 Hiện tƣợng thấm trên cơ hạ lƣu, ví trí số 2 (ảnh chụp ngày 14/4/2016) ........... 62 Hì nh 3-5 Hố đào kiểm tra cho thấy nƣớc ứ lại ở vùng tiếp xúc giữa đập cũ và khối áp Hì trúc màkhông chảy về đống đá tiêu nƣớc (ảnh chụp tháng 6/2016) ................................. 62 nh 3-6 Sơ đồ không gian bố trílắp đặt nêm cát vàgiếng quan trắc ............................. 65 Hì
ix nh 3-7 Mặt cắt nêm cát vàcác thiết bị đo ..................................................................... 65 Hì nh 3-8 Sơ đồ bố trícác lớp băng trong nêm cát ............................................................ 67 Hì nh 3-9 Ảnh chụp đang quan trắc mực nƣớc và đo lƣu lƣợng (11/2017). ..................... 67 Hì nh 3-10 Hình ảnh thi công tại hiện trƣờng. a) Đào rãnh; b) Lắp đặt nêm cát; c) Hoàn Hì thành thi công nêm cát........................................................................................................ 68 nh 3-11 Kết quả quan trắc cột nƣớc trong các giếng, năm 2016 và 2017 .................... 72 Hì nh 3-12 Khả năng thu nƣớc tại vị trínêm N2 ................................................................ 73 Hì nh 3-13 Nƣớc thấm vào chủ yếu ở lớp nêm dƣới cùng ................................................ 74 Hì nh 3-14 Kết quả quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng sau khi lắp đặt nêm cát, năm 2016 Hì và năm 2017........................................................................................................................ 74 nh 3-15 Sơ đồ vị trílấy mẫu đo độ đục trƣớc vàsau nêm cát. ..................................... 75 Hì nh 3-16 Mặt cắt ngang đập Đồng Bể tại vị trítí Hì nh toán ............................................... 76 nh 3-17 Sơ đồ các trƣờng hợp tính toán ....................................................................... 77 Hì nh 3-18 Đƣờng bão hoà cho các trƣờng hợp TH1 vàTH2 ........................................... 78 Hì nh 3-19 Đƣờng bão hoà cho các trƣờng hợp TH2, TH3 vàTH4 ................................. 78 Hì Hì nh 3-20 Môhình tính toán thấm 3D ............................................................................. 80 nh 3-21 Hình ảnh đƣờng bão hoàtại các mặt cắt xem xét. ........................................... 81 Hì nh 3-22 So sánh kết quả đo đạc thực tế vàtí Hì nh toán, MNTL = +36,80 m ................... 81 nh 3-23 So sánh kết quả đo đạc thực tế vàtí Hì nh toán, MNTL = +38,20 m ................... 81 nh 3-24 So sánh kết quả đo đạc thực tế vàtí Hì nh toán, MNTL = +39,05 m ................... 81 nh 3-25 So sánh kết quả đo đạc thực tế vàtí Hì nh toán, MNTL = +39,70 m ................... 82 nh 3-26 Hình ảnh độ vồng đƣờng bão hoàdo nêm cát tí Hì nh bằng môhì nh 3D ............. 84 nh 3-27 So sánh kết quả tính toán độ vồng bằng lýthuyết với thực nghiệm ............... 84 Hì
x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Các từ viết tắt ASCE Hội công binh Hoa Kỳ USCOLD Hội đập lớn Hoa Kỳ FEMA Cục ứng cứu khẩn cấp liên bang Hoa Kỳ USBR Cục khai hoang Hoa Kỳ Ống PVC Ống nhựa NTU Tổng hàm lƣợng chất rắn lơ lửng MNDBT Mực nƣớc dâng bình thƣờng MNDGC Mực nƣớc dâng gia cƣờng MNTL Mực nƣớc thƣợng lƣu TL Thƣợng lƣu HL Hạ lƣu TH Trƣờng hợp ĐBH Đƣờng bão hòa PTHH Phần tử hữu hạn BPCB Biến phân cục bộ 2. Các kýhiệu Qc Lƣu lƣợng cần thoát, tính bằng lí t trên phút, (lí t/phút) Lb Chiều dài băng thu nƣớc cần lắp đặt, tí nh bằng mét (m) Wb Lƣu lƣợng thu đƣợc trên 1 m chiều dài băng thu nƣớc (lí t/phút/m), theo kết quả thínghiệm, tùy thuộc môi trƣờng ngập nƣớc
xi v Lƣu tốc thấm Darcy, (m/s) k Hệ số thấm của đất, (m/s) j Gradien thủy lực H Cột nƣớc tổng, (m) kx Hệ số thấm theo phƣơng x, (m/s) ky Hệ số thấm theo phƣơng y, (m/s) kz Hệ số thấm theo phƣơng z, (m/s) Q Lƣu lƣợng vào/ ra trong một đơn vị thể tí ch trên một đơn vị thời gian, (m3/s)  Độ ẩm thể tích, (m3/s) t Thời gian, (s) mw Độ dốc của đƣờng cong hàm lƣợng nƣớc, (1/m) uw Cột nƣớc áp lực, (m) pw Áp lực nƣớc lỗ rỗng, (kN/m2) w Khối lƣợng riêng của nƣớc, (kN/m3) y Cao trình mặt nƣớc, (m) Sw Độ bão hòa n Độ rỗng hiệu dụng Vv Thể tích không khí  Hệ số nén của tầng chứa nƣớc cw Tính nén của nƣớc Ss Lƣợng tích trữ nƣớc
xii  Hệ số lƣợng tích trữ nƣớc  Sức kháng cắt của vật liệu f Sức kháng cắt của mặt trƣợt Kminmin Hệ số ổn định nhỏ nhất [K]cp Hệ số ổn định cho phép [J] cp Gradient thấm cho phép
xiii GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ “Đập vừa và nhỏ” Đập vừa có chiều cao từ 10 m đến dƣới 15 m hoặc đập có dung ch toàn bộ từ 500.000 m3 đến dƣới 3.000.000 m3, chiều dài đập nhỏ hơn 500 m và có lƣu tí lƣợng tràn xả lũ thiết kế dƣới 2.000 m3/s. Đập nhỏ là đập cóchiều cao dƣới 10 m hoặc hồ chứa nƣớc có dung tích toàn bộ dƣới 500.000 m3, theo quy định trong điều 3 nghị định 114/2018/ND-CP về Quản lý an toàn đập, hồ chứa nƣớc. “Khối lõi (Core)” là khối đất cótí nh thấm thấp làm tƣờng tâm cản nƣớc trong đập. “Chân khay (Cutoff Trench)” là tƣờng hào chặn ngang tầng thấm nhiều ở nền, đƣợc nối với lõi. “Khối thƣợng lƣu (Upstream Shell)” là khối đất có tí nh chịu nƣớc tốt. Hình dạng, độ dốc mái của khối thƣợng lƣu còn xét đến điều kiện mực nƣớc thƣợng lƣu rút đột ngột. “Ống khói thoát nƣớc (Chimney Drain)” là tầng lọc bố trísát mặt hạ lƣu của khối lõi (thẳng đứng hoặc nghiêng), nƣớc trong thân đập đƣợc thu vào trong ống khói và đƣợc ra thảm tiêu nƣớc. Lớp này cũng hoạt động nhƣ một lớp chuyển tiếp giữa khối lõi vàkhối hạ lƣu. “Ống khói lọc (Chimney Filter)” là lớp lõi lọc chống xói ngầm dạng ống khói. Thông thƣờng, lớp này cấu tạo bằng các hạt cát. “Lớp đá lát mái thƣợng lƣu (Riprap) và lớp lót (Bedding)” là lớp đá lát mái thƣợng lƣu làm nhiệm vụ bảo vệ, chống xói mòn do tác động của sóng hồ chứa. Lớp lót bên dƣới lớp đá đổ bảo vệ chống sự di chuyển hạt của lớp đƣợc bảo vệ sau khi nƣớc hồ chứa rút. “Khối hạ lƣu (Downstream Shell)” là khối gia tăng ổn định đập, thƣờng bằng vật liệu thấm nƣớc trung bình, dung trọng cao. “Thảm tiêu nƣớc nền đập (Blanket Drain)” là kết cấu có nhiệm vụ giảm áp suất thủy tĩnh nền móng do thấm qua vàbảo vệ chống sự di chuyển hạt trong nền móng đất.
xiv Nó cũng tạo một lối thoát cho nƣớc thấm đƣợc thu gom bởi ống khói thoát nƣớc. “Rãnh thoát nƣớc chân đập (Drainage Ditch)” là rãnh đào ở chân mái hạ lƣu đập để thu gom nƣớc thấm. Hiệu quả nhất khi rãnh cắt qua hoàn toàn lớp nền thấm nƣớc. Cũng có thể đƣợc sử dụng để thu gom nƣớc từ giếng tiêu nƣớc. “Sân phủ thƣợng lƣu (Impervious Blanket)” là kết cấu kéo dài đƣờng viền thấm và làm tăng tổn thất cột áp thấm khi đập nằm trên nền dễ thấm vàxét thấy việc làm tƣờng hào cắt qua tầng thấm làkhông khả thi. Lớp phủ thƣợng lƣu đƣợc kết nối với bộ phận chống thấm thân. “Tƣờng hào chống thấm (Cutoff Wall)” là tƣờng chắn nƣớc theo chiều dọc trục đập, tƣờng bằng đất-xi măng-bentonite, hoặc ở dạng màn chống thấm bằng khoan phụt, v.v… “Tầng lọc (filter)” là kết cấu đƣợc sử dụng để ngăn chặn sự dịch chuyển của hạt đất từ (hoặc giữa) các đới khác nhau trong thân đập vànền của đập. “Rãnh thoát (drainage)” là một kết cấu tập trung nƣớc để tiêu nƣớc ra khỏi phạm vi đập. “Băng thu nƣớc” là băng đƣợc khí nh , chúng cóhai hình dạng làdạng tấm a rãnh hì vàdạng ống, dùng để thay thế cho các vật liệu lọc chuyền thống. Băng thu nƣớc có ƣu điểm làlàm việc theo nguyên lý mao dẫn do vậy sẽ tránh đƣợc lấp tắc do các hạt bụi có trong nƣớc không bị cuốn theo dòng nƣớc đi vào rãnh. “Hệ thống nêm cát” là hệ thống kết cấu bao gồm các băng thu khía rãnh gắn trên ống PVC, đặt trong lớp cát thô để lọc theo nguyên lý mao dẫn nên giảm thiểu nguy cơ tắc nghẽn kết cấu lọc – gọi tắt là “Nêm cát”.
1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Đập đắp bằng vật liệu địa phƣơng đƣợc xây dựng ở nƣớc ta chiếm đến 90%, nên dễ bị tổn thƣơng. Tình trạng thấm xảy ra rất phổ biến, dẫn đến mất nƣớc hồ chứa, khi thấm lớn việc xử lý khó khăn và gây tổn hại về kinh tế. Các sự cố về thấm đƣợc thể hiện muôn hình muôn vẻ, mất ổn định do thấm chiếm gần 45%. Đập đất vừa vànhỏ cóchiều cao đập nhỏ hơn 15 m, thuộc công trì nh cấp III, IV (Quy chuẩn 04-05: 2012). Loại đập này đƣợc xây dựng khásớm từ những năm 1960-1980 với kỹ thuật khảo sát hạn chế, thiếu các tiêu chuẩn, quy phạm thiết kế, thiết bị thi công không đáp ứng yêu cầu kĩ nh vận hành và không đƣợc sửa chữa định kỳ, thiếu thuật, thiếu hoặc không có quy trì năng lực dự báo, theo Báo cáo dự án đầu tư sử dụng vốn ODA (vốn vay WB), 2015. Đối với công trình cấp III, IV chỉ trong trƣờng hợp đặc biệt mới bố trícác thiết bị quan trắc nên khócóthể phát hiện sớm các sự cố và thƣờng khi phát hiện ra đã quá muộn đặc biệt làsự cố về thấm. Đập đất không thể chống thấm tuyệt đối, vấn đề làthấm không gây ra xói ngầm, mất nƣớc quámức vàlàm mất ổn định của mái đập đất. Xói ngầm cơ học thƣờng xảy ra tại các mặt tiếp xúc, chuyển đổi từ vật liệu có hạt mịn hơn vào lớp vật liệu có hạt thô, hoặc ra ngoài không khí. Để ngăn chặn xói ngầm ngƣời ta sử dụng tầng lọc ngƣợc. Theo TCVN 8422: 2010, lọc ngƣợc chí nh lànhững lớp vật liệu trung gian, nối tiếp đất hạt nhỏ cần bảo vệ với đất hạt to (bộ phận tiêu nƣớc). Chức năng chủ yếu của lọc ngƣợc là ngăn ngừa xói ngầm cơ học nguy hiểm trong đất hạt nhỏ cần bảo vệ. Trong trƣờng hợp cábiệt, lọc ngƣợc có thể làm nhiệm vụ gia tải chống hiện tƣợng đùn đất. Lọc ngƣợc có thể lànhững kết cấu độc lập hoặc làbộ phận của các kết cấu tiêu nƣớc (nghiêng theo mái dốc, ống, lăng trụ đá, v.v…). Để làm lọc ngƣợc, chỉ đƣợc dùng vật liệu thiên nhiên gia công hoặc đã đƣợc xử lý, không dí nh, lấy từ các đá rắn vàchắc, không chứa muối hòa tan trong nƣớc. Việc bố tríkết cấu lọc ngƣợc cho đập đắp mới do các kỹ sƣ chủ động, bố trítheo chức năng lọc và thoát nƣớc hay đơn giản chỉ nhƣ là một vật cấu tạo. Kết cấu lọc ngƣợc thông dụng trì nh bày trong các tài liệu sách vở hiện nay có
2 nhiều loại, chủ yếu áp dụng phù hợp cho đập đắp mới. Sử dụng kết cấu lọc ngƣợc có nh thức cấu tạo nhƣ cho đấp đắp mới vào trong nâng cấp cải tạo các hồ đập vừa và hì nhỏ đang tích nƣớc khó thực hiện vìcác lý do sau đây: (i) kỹ thuật tí nh toán tầng lọc phức tạp, các kỹ sƣ thiết kế thƣờng lấy theo cấu tạo; (ii) vật liệu làm tầng lọc không có sẵn, hoặc không đạt đƣợc chỉ tiêu về thành phần cấp phối hạt; (iii) việc đào chân mái để lắp đặt vật thoát nƣớc cóthể gây mất an toàn đập; (iv) thi công rất khó đạt đƣợc nhƣ bản vẽ thiết kế, nhiều trƣờng hợp phải hạ mực nƣớc hồ ảnh hƣởng đến tƣới. Kết cấu “Nêm cát thu lọc nƣớc thấm ở hạ lƣu đập đất” là một giải pháp do tác giả cùng nhóm nghiên cứu tại Viện Thủy công đề xuất, đã đƣợc chấp nhận vàcông bố cấp Bằng độc quyền sáng chế trong công báo số CBA 351- tháng 6/2017. Sáng chế này đề cập đến giải pháp thu lọc nƣớc thấm ở chân mái hạ lƣu đập đất, hạ thấp đƣờng bão hòa, nâng cao ổn định vàan toàn của đập đất. Tuy nhiên, sáng chế chỉ mới dừng ở mức ý tƣởng mà chƣa chứng minh đƣợc hiệu quả, cách bố trí, tí nh toán thiết kế, minh chứng trong thực tế. Vìvậy, việc nghiên cứu kết cấu nêm cát thu lọc nƣớc thấm thân đập làcần thiết đối với các đập nâng cấp, sửa chữa khi hồ chứa đang vận hành. Hiệu quả của giải pháp nêm cát thể hiện qua các yếu tố nhƣ: kích thƣớc, khoảng cách hợp lýgiữa các nêm, mức độ hạ thấp đƣờng bão hòa, thi công an toàn khi đập đang tích nƣớc, chất lƣợng lọc ổn định lâu dài, v.v… đã đƣợc nghiên cứu sinh chứng minh trong luận án. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Đề xuất kết cấu nêm cát thu-lọc-thoát nƣớc thấm ở hạ lƣu đập đất vừa vànhỏ thay thế cho kết cấu lọc ngƣợc cát-đá-sỏi truyền thống. Kiến nghị phƣơng án bố trínêm cát để vừa đảm bảo hiệu quả thu-lọc-thoát nƣớc thấm, vừa bảo đảm an toàn thi công khi hồ đang tích nƣớc. 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tƣợng nghiên cứu: Đập đất đồng chất vừa vànhỏ (theo định nghĩa trong Nghị định 114/2018/NĐ- nh phủ về Quản lý an toàn đập, hồ chứa nƣớc) đang tích CP ngày 14/9/2018 của Chí nƣớc vàbị thấm quámức, cần phải xử lý để bảo đảm an toàn đập kể cả trong quá
3 trì nh thi công. Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu điểm ra của đƣờng bào hòa khi lắp đặt nêm cát; - Hệ số ổn định trong quátrì nh thi công (hệ số an toàn trƣợt tổng thể vàcục bộ; gradient thấm lớn nhất xuất hiện khi thi công); - Chất lƣợng thu lọc nƣớc đánh giá qua việc phân tí ch mẫu nƣớc trên mô hì nh 1:1. 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận án đã sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu sau đây: - Nghiên cứu tài liệu: Các nghiên cứu, tài liệu sách vở, tiêu chuẩn kỹ thuật, v.v... về thấm ảnh hƣởng đến an toàn ổn định đập đất, kết cấu lọc ngƣợc, vật liệu lọc, v.v... - Phƣơng pháp kế thừa: Tiêu chí đánh giá an toàn đập của Phạm Ngọc Quý, kết quả nghiên cứu áp dụng băng khía rãnh để lọc nƣớc của Nguyễn Quốc Dũng, v.v… - Phƣơng pháp mô hình toán: Sử dụng các phần mềm thƣơng mại (cụ thể làphần mềm địa kỹ thuật Midas GST cóbản quyền) để tính toán để xác định các đƣờng bão hòa thấm (2D và3D), hệ số an toàn tổng thể vàcục bộ cho đập hiện trạng, tí nh khả năng xói ngầm trong quátrình thi công vàsau khi hệ thống nêm cát thu lọc nƣớc đã đƣợc lắp đặt. - Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm: Lắp đặt 3 nêm cát vàhệ thống quan trắc cao độ đƣờng bão hòa (4 giếng đo mực nƣớc), đo lƣu lƣợng thấm bằng đồng hồ kết hợp ống khắc vạch, đo chất lƣợng lọc (thông qua độ đục của nƣớc - chỉ số NTU), v.v… tại đập đất hồ Đồng Bể (tỉnh Thanh Hóa). Đo đạc quan trắc số liệu trong 2 năm (2016 và 2017). 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Ý nghĩa khoa học: Đề xuất và áp dụng thử nghiệm đƣợc hệ thống nêm cát thu lọc và thoát nƣớc thấm phía hạ lƣu đập đất vừa và nhỏ. Làm rõ đƣợc hiệu quả hạ thấp đƣờng bão hòa, tăng ổn định và hạn chế xói ngầm phía hạ lƣu đập đất. Hệ thống nêm cát có kết cấu đơn giản, hiệu quả trong sửa chữa khắc phục sự cố thấm khi thiết bị thoát nƣớc truyền thống bị hƣ hỏng.
4 Ý nghĩa thực tiễn: Bổ sung thêm một giải pháp đơn giản vàhiệu quả để thu lọc và thoát nƣớc thấm phía hạ lƣu, tăng tính an toàn cho đập đất vừa vànhỏ. 6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Đề xuất vàthiết lập cơ sở lýluận kết cấu nêm cát thu lọc nƣớc thấm ở mái hạ lƣu đập đất vừa vànhỏ. - Bằng thínghiệm hiện trƣờng và nghiên cứu trên mô hình toán đề xuất đƣợc phƣơng án bố tríhệ thống nêm cát để xử lý thấm cho đập vừa vànhỏ đang tích nƣớc. 7. NỘI DUNG VÀ CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Luận án có 3 Chƣơng, ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, danh mục tài liệu tham khảo. Nội dung vàcấu trúc Luận án cóthể tóm tắt nhƣ sau: CHƢƠNG 1: Tổng quan về thấm vàkiểm soát thấm ở đập đất nh gây ra sự cố, hƣ hỏng đập đất. Vìvậy, khi thiết kế Thấm làmột nguyên nhân chí đập đất cần phải cả kết cấu chống thấm và kiểm soát thấm. Hiện nay trong thiết kết nâng cấp cải tạo đập vừa vànhỏ cóvấn đề về thấm, tƣ vấn thƣờng ƣu tiên quan tâm đến kết cấu chống thấm màcoi nhẹ việc thiết kế kết cấu kiểm soát thấm (lọc và thoát nƣớc). Tầng lọc bằng cát-đá-sỏi truyền thống áp dụng trong đập đất đƣợc nghiên cứu từ những năm 50 của thế kỷ trƣớc và đã đƣợc xây dựng thành tiêu chuẩn. Kết cấu thu lọc và thoát nƣớc thấm trong đập đất (màbản chất làtầng lọc) trì nh bày trong tiêu chuẩn và các tài liệu hiện cóáp dụng phùhợp cho đập đắp mới. Với các đập vừa vànhỏ cần xử lý thấm cần phải cókết cấu phùhợp, hiệu quả về thu-lọc-thoát nƣớc cao, đơn giản, dễ thi công và đặc biệt là đảm bảo an toàn thi công khi hồ đang tích nƣớc. Sáng chế nêm cát thu lọc nƣớc thấm do tác giả cùng nhóm nghiên cứu đề xuất cung cấp một giải pháp mới để thu lọc nƣớc thấm sau đập đất, sử dụng vật liệu mới là băng thu khía rãnh theo nguyên lý mao dẫn. Nhờ đó đã làm đơn giản cách tí nh toán, thi công nhanh cóthể áp dụng cho đập vừa vànhỏ đang tích nƣớc. Tuy nhiên để cóthế áp dụng rộng rãi cần tiếp tục nghiên cứu làm rõhiệu quả lýthuyết vàthực tế. CHƢƠNG 2: Nghiên cứu cơ sở lýluận về nêm cát Nêm cát thu-lọc-thoát nƣớc thấm phải đạt đƣợc mục tiêu hạ thấp đƣờng bão hòa,