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
Hà Nội - 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 trình thủy
Mã số
: 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
Hà Nội - 2019
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trình bày trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất ký công trình
nào khác.
Tôi xin cam đoan luận án đƣợc tiến hành nghiên cứu một cách nghiêm túc và kết
quả nghiên cứu của các nhà nghiên cứu đi trƣớc đã đƣợc tiếp thu một cách chân thực, cẩn
trọng, có trích nguồn dẫn cụ thể trong luận án.
Hà Nội, 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 trình 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 mô hình thí nghiệm 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 là nguyên nhân chính gây mất an toàn đập .................................................... 7
1.2 Xử lý thấm cho đập đất khi hồ đang tích nƣớc......................................................... 9
1.2.1 Mục tiêu của xử lý thấm..................................................................................... 9
1.2.2 Cấu tạo đập đất với các kết cấu chống thấm và kiểm 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 Ví dụ ở nƣớc ngoài ........................................................................................... 15
1.3.2 Ví dụ ở Việt Nam ............................................................................................. 15
1.4 Cơ chế vỡ đập do thấm và xói ngầm ...................................................................... 18
1.4.1 Sự hình thành và phát 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 lý hiện tƣợng xói ngầm và lấp tắc trong tầng lọc....................................... 20
1.5 Tiêu chuẩn hƣớng dẫn thiết kế tầng lọc.................................................................. 23
1.5.1 Bộ phận thu lọc và thoát 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 trình thủy công ............ 24
1.6 Giới thiệu sáng chế “nêm cát để thu lọc nƣớc thấm hạ lƣu đập đất” ..................... 26
1.6.1 Mô tả 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 tích thấm đập đất ........................... 33
2.2.2 Ứng dụng phƣơng pháp mô hình số để phân tích thấm đập đất có nêm cát .... 35
2.3 Lựa chọn phần mềm để tính thấm và kiểm 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 và vùng có nguy 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 Mô tả hiện trạng thấm ...................................................................................... 60
3.3 Thí nghiệm hiện trƣờng xác định hiệu quả của nêm cát ........................................ 63
3.3.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm ..................................................................................... 63
3.3.2 Công tác chuẩn bị và thi công lắp đặt .............................................................. 63
3.3.3 Phƣơng pháp đo ............................................................................................... 68
3.4 Kết quả quan trắc và bình 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 mô hình Midas 3D ............................................................ 79
3.5.5 So sánh kết quả giữa mô hình vật lý và mô hình 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 và nền đập trong các trƣờng hợp tính 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 tính toán ......................................................... 48
Bảng 2-4 Hệ số ổn định và gradient 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 là 1 m) .................. 51
Bảng 2-6 Hệ số ổn định khi đào với kịch bản C (chiều rộng nêm cát là 2 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 trình [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 và sau nêm cát ................................................... 75
Bảng 3-6 Thông số của đập đất Đồng Bể ......................................................................... 76
Bảng 3-7 Bảng chỉ tiêu cơ lý của đập và nêm 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 trí quan trắc so với kết quả đo thực tế .... 83
vii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ
Hình 1-1 Cấu tạo của đập đất với các kết cấu lọc và thoát nƣớc khác nhau [34] ............. 10
Hình 1-2 Tƣờng chống thấm cho thân và nền đập............................................................. 10
Hình 1-3 Tƣờng nghiêng chống thấm + sân phủ .............................................................. 11
Hình 1-4 Tƣờng hào tại tim đập ....................................................................................... 11
Hình 1-5 Các dạng kết cấu lọc và thoát nƣớc ................................................................... 14
Hình 1-6 Ví dụ về một công trình xử lý sai lầm ở Mỹ [39] .............................................. 15
Hình 1-7 Bố trí hợp lý kết cấu lọc khi đắp áp trúc theo khuyến cáo của FEMA [36] ...... 15
Hình 1-8 Đắp áp trúc mái hạ lƣu ở đập Quý Lộ (Nghệ An) [29] ..................................... 16
Hình 1-9 Đắp áp trúc mái hạ lƣu ở đập Triệu Thƣợng (Quảng Trị) [29] ......................... 17
Hình 1-10 Hình ảnh trƣợt mái hạ lƣu Triệu Thƣợng (Quảng Trị) [29] ............................ 17
Hình 1-11 Sử dụng ống đục lỗ ở đập Hàm Lợn (Sóc Sơn, Hà Nội) [29] ......................... 17
Hình 1-12 Quá trình phá hoại đập đất do dòng thấm ....................................................... 19
Hình 1-13 Thấm quá mức ra mái hạ lƣu ............................................................................ 19
Hình 1-14 Ống xói hình thành dọc theo cống lấy nƣớc gây vỡ đập .................................. 19
Hình 1-15 Tiêu chí an toàn xét đến điểm ra của đƣờng bão hòa [18] .............................. 20
Hình 1-16 Cơ chế lọc và lấp tắc tầng lọc [36] .................................................................. 22
Hình 1-17 Cắt theo chiều dòng thấm (cắt ngang đập) qua nêm cát [14]. ......................... 27
Hình 1-18 Mặt bằng của hệ thống nêm cát bố trí theo dạng ngắt quãng [14] .................. 28
Hình 1-19 Miêu tả cơ chế lọc hạt bụi của băng thu nƣớc khía rãnh [12] ......................... 29
Hình 1-20 Ảnh chụp cách thi công lắp đặt băng thu nƣớc khía rãnh [12]........................ 29
Hình 1-21 Kết quả thí nghiệm khả năng thu nƣớc của băng [28] .................................... 30
Hình 2-1 Kết quả tính toán đƣờng bão hòa của các trƣờng hợp khác nhau [17] .............. 36
Hình 2-2 So sánh đƣờng bão hòa tính bằng phần mềm Seep/W và Midas GTS [17] ...... 36
viii
Hình 2-3 Cơ chế chiết giảm , c ....................................................................................... 42
Hình 2-4 Sơ đồ tính toán đƣờng bão hoà và ổn định ........................................................ 43
Hình 2-5 Mô phỏng khả năng hút nƣớc của băng lọc ...................................................... 43
Hình 2-6 Sơ đồ tính toán ổn định khi đào rãnh để lắp nêm cát với đập H=15m .............. 44
Hình 2-7 Biểu đồ thống kê hệ số thấm thân đập với chiều cao đập dƣới 15 m ................ 45
Hình 2-8 Biểu đồ thống kê hệ số thấm nền đập với chiều cao đập dƣới 15 m ................. 46
Hình 2-9 Đƣờng bão hòa trong thân đập của các trƣờng hợp tính toán ........................... 47
Hình 2-10 Sơ đồ đào rãnh với chiều rộng khoang đào khác nhau (Kịch bản A) ............. 48
Hình 2-11 Bức tranh dòng thấm ra mái hạ lƣu ................................................................. 49
Hình 2-12 Quy luật thay đổi K và J khi đào theo kịch bản A.......................................... 50
Hình 2-13 Trƣờng hợp đào nhiều rãnh cùng lúc (Kịch bản B và C) ................................ 51
Hình 2-14 Quy luật thay đổi K và J khi đào theo kịch bản B và C .................................. 52
Hình 2-15 Mặt cắt đập có lắp đặt nêm cát ........................................................................ 53
Hình 2-16 Trƣờng hợp tính toán với kịch bản D .............................................................. 53
Hình 2-17 Sơ họa các kích thƣớc khi dòng thấm bị vồng lên do khoảng cách giữa các
nêm cát. a) khoảng cách nêm là 3 m; b) khoảng cách nêm là 5 m ..................................... 54
Hình 2-18 Kết quả trích xuất từ phần mềm Midas để thấy độ vồng ................................ 54
Hình 2-19 Đƣờng bão hoà sau khi có nêm cát và so sánh với tiêu chí an toàn ................ 55
Hình 3-1 Vị trí hồ Đồng Bể - Thanh Hóa (nguồn google Map) ....................................... 58
Hình 3-2 Mặt cắt đập Đồng Bể sau khi đắp thêm khối áp trúc (năm 2003) [2] ............... 61
Hình 3-3 Mặt bằng các vị trí xuất hiện thấm .................................................................... 61
Hình 3-4 Hiện tƣợng thấm trên cơ hạ lƣu, ví trí số 2 (ảnh chụp ngày 14/4/2016) ........... 62
Hình 3-5 Hố đào kiểm tra cho thấy nƣớc ứ lại ở vùng tiếp xúc giữa đập cũ và khối áp
trúc mà không chảy về đống đá tiêu nƣớc (ảnh chụp tháng 6/2016) ................................. 62
Hình 3-6 Sơ đồ không gian bố trí lắp đặt nêm cát và giếng quan trắc ............................. 65
ix
Hình 3-7 Mặt cắt nêm cát và các thiết bị đo ..................................................................... 65
Hình 3-8 Sơ đồ bố trí các lớp băng trong nêm cát ............................................................ 67
Hình 3-9 Ảnh chụp đang quan trắc mực nƣớc và đo lƣu lƣợng (11/2017). ..................... 67
Hình 3-10 Hình ảnh thi công tại hiện trƣờng. a) Đào rãnh; b) Lắp đặt nêm cát; c) Hoàn
thành thi công nêm cát ........................................................................................................ 68
Hình 3-11 Kết quả quan trắc cột nƣớc trong các giếng, năm 2016 và 2017 .................... 72
Hình 3-12 Khả năng thu nƣớc tại vị trí nêm N2 ................................................................ 73
Hình 3-13 Nƣớc thấm vào chủ yếu ở lớp nêm dƣới cùng ................................................ 74
Hình 3-14 Kết quả quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng sau khi lắp đặt nêm cát, năm 2016
và năm 2017........................................................................................................................ 74
Hình 3-15 Sơ đồ vị trí lấy mẫu đo độ đục trƣớc và sau nêm cát. ..................................... 75
Hình 3-16 Mặt cắt ngang đập Đồng Bể tại vị trí tính toán ............................................... 76
Hình 3-17 Sơ đồ các trƣờng hợp tính toán ....................................................................... 77
Hình 3-18 Đƣờng bão hoà cho các trƣờng hợp TH1 và TH2 ........................................... 78
Hình 3-19 Đƣờng bão hoà cho các trƣờng hợp TH2, TH3 và TH4 ................................. 78
Hình 3-20 Mô hình tính toán thấm 3D ............................................................................. 80
Hình 3-21 Hình ảnh đƣờng bão hoà tại các mặt cắt xem xét. ........................................... 81
Hình 3-22 So sánh kết quả đo đạc thực tế và tính toán, MNTL = +36,80 m ................... 81
Hình 3-23 So sánh kết quả đo đạc thực tế và tính toán, MNTL = +38,20 m ................... 81
Hình 3-24 So sánh kết quả đo đạc thực tế và tính toán, MNTL = +39,05 m ................... 81
Hình 3-25 So sánh kết quả đo đạc thực tế và tính toán, MNTL = +39,70 m ................... 82
Hình 3-26 Hình ảnh độ vồng đƣờng bão hoà do nêm cát tính bằng mô hình 3D ............. 84
Hình 3-27 So sánh kết quả tính toán độ vồng bằng lý thuyết với thực nghiệm ............... 84
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
Thƣợng lƣu TL
Hạ lƣu HL
Trƣờng hợp TH
Đƣờng bão hòa ĐBH
Phần tử hữu hạn PTHH
Biến phân cục bộ BPCB
2. Các ký hiệu
Lƣu lƣợng cần thoát, tính bằng lít trên phút, (lít/phút) Qc
Chiều dài băng thu nƣớc cần lắp đặt, tính bằng mét (m) Lb
Lƣu lƣợng thu đƣợc trên 1 m chiều dài băng thu nƣớc (lít/phút/m), Wb
theo kết quả thí nghiệm, tùy thuộc môi trƣờng ngập nƣớc
xi
Lƣu tốc thấm Darcy, (m/s) v
Hệ số thấm của đất, (m/s) k
Gradien thủy lực j
Cột nƣớc tổng, (m) H
Hệ số thấm theo phƣơng x, (m/s) kx
Hệ số thấm theo phƣơng y, (m/s) ky
Hệ số thấm theo phƣơng z, (m/s) kz
Q
Lƣu lƣợng vào/ ra trong một đơn vị thể tích trên một đơn vị thời gian, (m3/s)
Độ ẩm thể tích, (m3/s)
Thời gian, (s) t
Độ dốc của đƣờng cong hàm lƣợng nƣớc, (1/m) mw
Cột nƣớc áp lực, (m) uw
Áp lực nƣớc lỗ rỗng, (kN/m2) pw
Khối lƣợng riêng của nƣớc, (kN/m3) w
Cao trình mặt nƣớc, (m) y
Độ bão hòa Sw
Độ rỗng hiệu dụng n
Thể tích không khí Vv
Hệ số nén của tầng chứa nƣớc
Tính nén của nƣớc cw
Lƣợng tích trữ nƣớc Ss
xii
Hệ số lƣợng tích trữ nƣớc
Sức kháng cắt của vật liệu
Sức kháng cắt của mặt trƣợt f
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 tích toàn bộ từ 500.000 m3 đến dƣới 3.000.000 m3, chiều dài đập nhỏ hơn 500 m và có lƣu lƣợng tràn xả lũ thiết kế dƣới 2.000 m3/s. Đập nhỏ là đập có chiều 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 có tính 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 tính 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 trí sát 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 và khối
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 và bảo 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 và xét thấy việc làm tƣờng
hào cắt qua tầng thấm là không 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 và nền 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 khía rãnh hình , chúng có hai hình dạng là dạng tấm
và dạng ống, dùng để thay thế cho các vật liệu lọc chuyền thống. Băng thu nƣớc có ƣu
điểm là làm 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 và nhỏ có chiều
cao đập nhỏ hơn 15 m, thuộc công trình cấp III, IV (Quy chuẩn 04-05: 2012). Loại đập
này đƣợc xây dựng khá sớm 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
thuật, thiếu hoặc không có quy trình vận hành và không đƣợc sửa chữa định kỳ, thiếu
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 trí các thiết bị quan trắc
nên khó có thể phát hiện sớm các sự cố và thƣờng khi phát hiện ra đã quá muộn đặc biệt
là sự cố về thấm.
Đập đất không thể chống thấm tuyệt đối, vấn đề là thấm không gây ra xói ngầm,
mất nƣớc quá mức và làm 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 chính là những 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 cá biệt, lọc ngƣợc có thể làm nhiệm vụ gia tải chống hiện tƣợng đùn đất.
Lọc ngƣợc có thể là những kết cấu độc lập hoặc là bộ 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 dính, lấy từ các đá rắn và chắc,
không chứa muối hòa tan trong nƣớc. Việc bố trí kết cấu lọc ngƣợc cho đập đắp mới do
các kỹ sƣ chủ động, bố trí theo chức năng lọc và thoát nƣớc hay đơn giản chỉ nhƣ là một
vật cấu tạo.
Kết cấu lọc ngƣợc thông dụng trình 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
hình thức cấu tạo nhƣ cho đấp đắp mới vào trong nâng cấp cải tạo các hồ đập vừa và
nhỏ đang tích nƣớc khó thực hiện vì các lý do sau đây: (i) kỹ thuật tính 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 có thể 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 và công 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 và an 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, tính toán thiết kế, minh chứng
trong thực tế.
Vì vậy, việc nghiên cứu kết cấu nêm cát thu lọc nƣớc thấm thân đập là cần 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 lý giữa 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 và nhỏ thay
thế cho kết cấu lọc ngƣợc cát-đá-sỏi truyền thống. Kiến nghị phƣơng án bố trí nêm 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 và nhỏ (theo định nghĩa trong Nghị định 114/2018/NĐ-
CP ngày 14/9/2018 của Chính phủ về Quản lý an toàn đập, hồ chứa nƣớc) đang tích
nƣớc và bị thấm quá mức, cần phải xử lý để bảo đảm an toàn đập kể cả trong quá
3
trình thi công.
Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu điểm ra của đƣờng bào hòa khi lắp đặt nêm cát;
- Hệ số ổn định trong quá trình thi công (hệ số an toàn trƣợt tổng thể và cục bộ;
gradient thấm lớn nhất xuất hiện khi thi công);
- Chất lƣợng thu lọc nƣớc đánh giá qua việc phân tích mẫu nƣớc trên mô hình
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 là phần
mềm địa kỹ thuật Midas GST có bản quyền) để tính toán để xác định các đƣờng bão hòa
thấm (2D và 3D), hệ số an toàn tổng thể và cục bộ cho đập hiện trạng, tính khả năng xói
ngầm trong quá trình thi công và sau khi hệ thống nêm cát thu lọc nƣớc đã đƣợc lắp đặt.
- Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm: Lắp đặt 3 nêm cát và hệ 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 và hiệu quả để thu lọc và
thoát nƣớc thấm phía hạ lƣu, tăng tính an toàn cho đập đất vừa và nhỏ.
6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
- Đề xuất và thiết lập cơ sở lý luận kết cấu nêm cát thu lọc nƣớc thấm ở mái hạ lƣu
đập đất vừa và nhỏ.
- Bằng thí nghiệm hiện trƣờng và nghiên cứu trên mô hình toán đề xuất đƣợc
phƣơng án bố trí hệ thống nêm cát để xử lý thấm cho đập vừa và nhỏ 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 và cấu trúc Luận án có thể tóm tắt nhƣ sau:
CHƢƠNG 1: Tổng quan về thấm và kiểm soát thấm ở đập đất
Thấm là một nguyên nhân chính gây ra sự cố, hƣ hỏng đập đất. Vì vậy, khi thiết kế
đập đất cần phải cả kết cấu chống thấm và kiểm soát thấm. Hiện nay trong thiết kết
nâng cấp cải tạo đập vừa và nhỏ có vấn đề về thấm, tƣ vấn thƣờng ƣu tiên quan tâm đến
kết cấu chống thấm mà coi 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 (mà bản chất là tầng lọc) trình bày trong tiêu chuẩn và
các tài liệu hiện có áp dụng phù hợp cho đập đắp mới. Với các đập vừa và nhỏ cần xử lý
thấm cần phải có kết cấu phù hợp, 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 tính toán, thi
công nhanh có thể áp dụng cho đập vừa và nhỏ đang tích nƣớc. Tuy nhiên để có thế áp
dụng rộng rãi cần tiếp tục nghiên cứu làm rõ hiệu quả lý thuyết và thực tế.
CHƢƠNG 2: Nghiên cứu cơ sở lý luận về nêm cát
Nêm cát thu-lọc-thoát nƣớc thấm phải đạt đƣợc mục tiêu hạ thấp đƣờng bão hòa,
5
với đập đang bị thấm thì nó phải đƣa đƣợc đƣờng bão hòa trong đập đất về trong phạm
vi an toàn (theo tiêu chí về thấm thì độ cao điểm ra của đƣờng bão hòa phải nhỏ hơn giá
trị giới hạn). Ngoài ra, chất lƣợng lọc phải đảm bảo ổn định lâu dài để không sinh ra
hiện tƣợng rửa trôi hoặc lấp tắc, trong quá trình đào rãnh để lắp đặt phải tuyệt đối bảo
đảm an toàn.
Trong Chƣơng này, Luận án đã phân tích và lựa chọn phần mềm Midas GTS để
phân tích đƣờng bão hòa thấm cho một đập đất cao 15 m (giới hạn trên của đập loại
vừa), bị thấm quá mức giới hạn (điểm ra của đƣờng bão hòa nằm trên giá trị giới hạn),
cần xử lý thấm bằng nêm cát.
Bằng phần mềm Midas GTS, luận án đã tính toán và kết luận:
- Khi hồ đang tích nƣớc chỉ đƣợc phép đào chân đập để lắp đặt nêm cát với chiều
rộng rãnh đào không quá 5 m (W<5 m). Tốt nhất là 1 m để phù hợp với thiết bị
thi công.
- Với rãnh đào 1 m (W=1 m) thì khoảng cách rãnh đào không nên quá 4 m (L<4 m),
cho phép đào và để hở 3 rãnh một lúc, lắp đặt xong rãnh nào thì lấp lại, sau đó
mới đƣợc đào rãnh tiếp theo. Làm nhƣ vậy để đảm bảo gradient dòng thấm xuất
hiện trên vách hố đào không vƣợt quá giá trị giới hạn (Jmax < [J]) và hệ số an toàn
ổn định cho phép (K < [K]);
- Với W=1 m và L=4 m, phần mềm Midas GTS đã cung cấp bức tranh dòng thấm
bị hút vào nêm cát tƣơng tự nhƣ hiện tƣợng hút nƣớc dãy giếng khoan. Với L=4
m thì độ vồng của đƣờng mực nƣớc không đáng kể, chứng tỏ khoảng cách bố trí
nhƣ vậy là phù hợp.
Qua kết quả đạt đƣợc trong Chƣơng này, luận án kết luận phần mềm Midas GTS
làm một phần mềm mạnh trong việc mô phỏng bài toán thi công lắp đặt nêm cát và phân
tích bài toán thấm không gian. Điều này sẽ đƣợc tiếp tục chứng minh trong Chƣơng tiếp
theo, khi so sánh kết quả tính bằng phần mềm với kết quả đo trên mô hình thực tế tại
đập Đồng Bể (Thanh Hóa).
CHƢƠNG 3: Nghiên cứu hiệu quả của nêm cát thu lọc nƣớc thấm tại đập Đồng Bể, tỉnh Thanh Hóa
6
Trong Chƣơng 2 việc khai báo băng khía rãnh nhƣ một loại vật liệu có hệ số thấm K = 1,5x10-3 m/s cũng chỉ theo kinh nghiệm của ngƣời tính mà chƣa đƣợc kiểm chứng,
Đặc biệt, chất lƣợng lọc của nêm cát, cũng nhƣ hoạt động của nêm cát có đƣợc ổn định
lâu dài hay không thì không thể tính bằng phần mềm đƣợc. Vì vậy, Luận án đã tiến
hành lắp đặt 3 nêm cát và hệ thống quan trắc cao độ đƣờng bão hòa, đo lƣu lƣợng thấm,
đo chất lƣợng lọc, v.v… tại đập đất hồ Đồng Bể (tỉnh Thanh Hóa) và quan trắc số liệu
trong 2 năm 2016 và năm 2017.
Kết quả thực nghiệm hiện trƣờng cho thấy sự phù hợp với kết quả tính toán bằng
phần mềm Midas GTS. Cụ thể:
- Khi chƣa lắp đặt nêm cát, nƣớc thấm ra cơ hạ lƣu (số đọc trong giếng h3 âm).
- Khi lắp đặt nêm cát thì cột nƣớc trƣớc nêm cát giảm (số đọc h1 dƣơng), năm
2016 là 1,48 m và năm 2017 là 1,12 m. Chấm dứt hiện tƣợng nƣớc thấm ra
cơ hạ lƣu.
- Xu hƣớng vận động lên xuống của đƣờng bão hòa tại nêm cát (số đọc h1),
giữa nêm cát (số đọc h2 và h2‟ ) và ngoài xa nêm cát (số đọc h3) đồng pha và
phụ thuộc mực nƣớc hạ lƣu. Độ vồng của đƣờng bão hòa giữa 2 nêm cát khá
phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm.
Qua đó cho thấy việc bố trí khoảng cách nêm cát 4 m là hợp lý. -
Kết quả quan trắc cho thấy dòng thấm trong thân đập đã dâng cao và đổ vào -
lƣng nêm cát. Điều này dẫn đến kiến nghị: xem xét nên đặt băng lọc bố trí
liên tục một lớp ở đáy thay vì bố trí nhiều lớp.
- Sau hai năm hoạt động nêm cát vẫn hoạt động bình thƣờng, điều này khẳng
định một lần nữa nêm cát hoạt động bền vững, ít có nguy cơ tắc.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TỒN TẠI VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP TỤC
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
7
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THẤM VÀ KIỂM SOÁT THẤM Ở ĐẬP ĐẤT
1.1 Thấm là nguyên nhân chính gây mất an toàn đập
Theo [29] (Todd Hill, P.E.; Cục Cải tạo đất Hoa Kỳ; Đập đất- Các dạng hƣ hỏng
tiềm năng; Báo cáo tại Hội thảo ngày 12/07/2016, Hà Nội), tổng kết các dạng hƣ hỏng
của đập đất tại Mỹ nhƣ Bảng 1-1.
Bảng 1-1 Tổng kết các hƣ hỏng đập đất tại Mỹ [29]
Dạng hƣ hỏng % Hƣ hỏng sau năm 1950 % Tổng hƣ hỏng (khi phát hiện thấy dạng hƣ hỏng) % Hƣ hỏng trƣớc năm 1950
Tràn đập 34,2% 36,2% 32,2%
Đập tràn/ cống xả (các công trình hỗ trợ) 12,8% 17,2% 8,5%
Xói ngầm xuyên qua đập 32,5% 29,3% 35,5%
Xói ngầm từ kè vào móng 1,7% 0% 3,4%
Xói ngầm xuyên qua móng 12,8% 10,4% 15,3%
Sạt lở hạ lƣu 3,4% 6,9% 0%
Sạt lở thƣợng lƣu 0,9% 0% 1,7%
Động đất 1,7% 0% 3,4%
Tổng cộng (3) 100% 100% 100%
Tổng tràn đập và các công trình hỗ trợ 48,4% 53,4% 40,7%
Tổng xói ngầm 46,9% 43,1% 54,2%
Tổng sạt lở 5,5% 6,9% 1,6%
124 61 63 Tổng số hƣ hại đập đất (trong thi công)
300.400 71.000 229.400
Tổng số năm vận hành đập đất (cho tới năm 1986)
Tổng xác suất hƣ hỏng 4,1 x 104 8,6 x 104 2,7 x 104
Nhận xét: Hư hỏng thường gặp ở đập đất do thấm chiếm khoảng 45%-50%.
8
Theo báo cáo của Hội đập lớn Mỹ, ASCE/USCOLD (năm 1975), có 4 nguyên nhân
chính gây sự cố cho đập nhƣ sau: (1) Tràn đỉnh (38%): do sự cố khi mở cửa, năng lực
tràn không đủ; (2) Thấm, xói ngầm (33%): do thấm qua nền, thấm qua thân đập, thấm
vai, thấm tiếp xúc giữa đất đắp và công trình; (3) Mất ổn định (23%): do mất ổn định
nền móng của đập trọng lực; trƣợt mái ở đập đất; (4) Nguyên nhân khác (6%): hƣ hỏng
cửa van, rác, vận hành, phá hoại [1]. Nói tóm lại, thấm là nguyên nhân chính (ngoài tràn
đỉnh) gây sự cố đập.
Việt Nam có 6.648 hồ chứa thủy lợi và phần lớn trong số đó có đập tạo hồ là đập
đất [1], [5]. Khoảng 6.000 hồ chứa quy mô vừa và nhỏ đƣợc xây dựng 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 thuật, thiếu hoặc không có quy trình vận hành và
không đƣợc sửa chữa định kỳ, thiếu năng lực dự báo [29].
Báo cáo dự án „„Đầu tƣ sửa chữa và nâng cao an toàn đập“ [29] kết luận: rủi ro liên
quan đến hồ chứa hiện hữu ở tất cả mức độ từ nguy cơ đến sự cố, thể hiện ở sự xuống
cấp, hƣ hỏng công trình đầu mối nhƣ thấm, biến dạng mái đập, không đủ khả năng xả
lũ, hƣ hỏng công trình lấy nƣớc trong thân đập, v.v... Thấm là một trong những nguyên
nhân chủ yếu dẫn đến sự cố đập đất, vì vậy xử lý thấm là một biện pháp giảm thiểu rủi
ro về an toàn đập.
Luận án tập trung nghiên cứu cho đập đất vừa và nhỏ có chiều cao đập nhỏ hơn 15 m, đập đang bị thấm cần phải xử lý, trong thời gian hồ đang tích nƣớc, thuộc công trình cấp III, IV (Quy chuẩn 04-05: 2012). Loại đập này đƣợc xây dựng khá sớm 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 thuật, thiếu hoặc không có quy trình vận hành và không đƣợc sửa chữa định kỳ, thiếu năng lực dự báo, thƣờng sử dụng kết cấu thoát nƣớc kiểu áp mái kết hợp đống đá tiêu nƣớc ở hạ lƣu nên dễ bị tắc, 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 trí các thiết bị quan trắc nên khó có thể phát hiện sớm các sự cố và thƣờng khi phát hiện ra đã quá muộn đặc biệt là sự cố về thấm. Còn với đập cấp II, cấp I , tức là đập có chiều cao trên 15m có yêu cầu về kỹ thuật rất cao (thiết bị thoát nƣớc thấm thƣờng có dạng ống khói trong thân đập, thảm tiêu nƣớc nền đập, .v.v...) nên hạn chế đƣợc lấp tắc.
Vì những nguyên nhân trên mà NCS chỉ kết luận áp dụng hệ thống nêm cát trong
nâng cấp đập đất vừa và nhỏ. Với các hồ lớn cần có nghiên cứu tiếp tục để khẳng định
9
tính an toàn thêm.
1.2 Xử lý thấm cho đập đất khi hồ đang tích nƣớc
1.2.1 Mục tiêu của xử lý thấm
Nói chung, mục tiêu của công tác xử lý thấm cho đập đất đang tích nƣớc bao gồm:
Ngăn chặn sự xuất hiện và phát triển các mạch đùn, mạch sủi và xói ngầm bằng
cách bố trí tầng lọc ngƣợc tại các vị trí có gradient cao, nếu cần thiết phải có
thêm lớp gia tải;
Hạn chế và giảm áp lực nƣớc lỗ rỗng, áp lực đẩy nổi và áp lực thấm bằng cách
giải thoát nƣớc thấm ra khỏi thân đập;
Ngăn ngừa các hiện tƣợng bong tróc, xói mòn bề mặt đập;
Hạn chế sự mất nƣớc hồ chứa bằng làm thêm tƣờng nghiêng, tƣờng/hào ở lõi.
Bốn mục tiêu đầu tiên có thể liên quan đến an toàn đập, trong khi mục tiêu cuối
cùng, sự mất nƣớc của hồ chứa, liên quan đến vấn đề vận hành hơn là an toàn đập.
Các biện pháp xử lý thấm cho đập đất có thể đƣa về hai nhóm: 1) nhóm giải pháp
vừa chống thấm vừa kiểm soát thấm, và 2) nhóm giải pháp kiểm soát thấm.
1.2.2 Cấu tạo đập đất với các kết cấu chống thấm và kiểm soát thấm
Đập đất không thể chống thấm tuyệt đối, vì vậy phải có thêm kết cấu chống thấm
và kiểm soát thấm, không để xảy ra xói ngầm, thấm mất nƣớc quá mức và làm mất ổn
định của mái đập. Hình 1-1 miêu tả một mặt cắt đập đất với các kết cấu vừa có tác dụng
tăng cƣờng chống thấm, vừa kiểm soát đƣợc thấm qua đập [4], [7], [16], [22], [34].
Các kết cấu tăng cƣờng chống thấm gồm: Khối lõi, khối thƣợng lƣu, tƣờng răng
chống thấm qua nền. Kết cấu kiểm soát thấm bao gồm: tầng lọc ngƣợc, ống khói (gồm
cả gối phẳng). Tuy nhiên, không nhất thiết phải đập nào cũng có đầy đủ các bộ phận
nhƣ trên.
Có nhiều nguyên nhân gây thấm nhƣ: nền đập xử lý không tốt, đất đắp đập không
đạt chất lƣợng (độ chặt, dung trọng, lỗi trong thi công, do mối làm tổ trong thân đập,
v.v... và hậu quả là gây ra thấm. Trong danh mục 430 hồ đập xuống cấp trong dự án
10
WB8 đang triển khai, có đến 40% đập phải xử lý thấm [29], trong đó 90% là hồ đập
vừa và nhỏ đang tích nƣớc. Vì vậy, nghiên cứu các giải pháp chống thấm, kiểm soát
thấm phù hợp với các hồ đập vừa và nhỏ là vấn đề có ý nghĩa thực tiễn cấp bách.
Hình 1-1 Cấu tạo của đập đất với các kết cấu lọc và thoát nƣớc khác nhau [34]
1.2.3 Các giải pháp tăng tính chống thấm cho thân đập khi hồ đang tích nước
Với các đập đang tích nƣớc mà bị thấm, thiết kế kết cấu chống thấm tăng cƣờng
phải căn cứ vào điều kiện cụ thể của từng công trình, xét đến hiệu quả về kinh tế - kỹ
thuật và trình độ thi công hiện có.
Ở Việt Nam hiện nay, các phƣơng pháp trình bày dƣới đây đang đƣợc sử dụng với
những điều kiện, ƣu nhƣợc điểm nhất định.
1.2.3.1 Khoan phụt vữa tạo màng chống thấm
Khoan phụt vữa là một giải pháp đƣợc áp dụng khá phổ biến trong xử lý thấm cho
đập đất. Hình 1-2 minh họa một đập đất đƣợc khoan phụt vữa chống thấm. Khoan phụt
là giải pháp đƣa chất kết dính (bột sét, xi măng, hóa chất, v.v...) lấp đầy kẽ nứt, hang
hốc có trong thân đập, nền đập, có tác dụng hạ thấp đƣờng bão hòa phía sau màng
khoan phụt.
Hình 1-2 Tƣờng chống thấm cho thân và nền đập
Về công nghệ, thiết bị khoan phụt có nhiều loại: khoan phụt thuần áp, khoan phụt
11
tạo nứt nẻ thủy lực, khoan phụt thẩm thấu, khoan phụt jet – grouting, v.v... [24], [25],
[26]. Giải pháp khoan phụt có thể áp dụng đƣợc cho đập đang tích nƣớc, tuy nhiên trong
quá trình thi công phải tính toán để bảo đảm an toàn.
1.2.3.2 Tường nghiêng chống thấm thượng lưu
Tƣờng nghiêng đƣợc bố trí trên mặt thƣợng lƣu đập và có thể mở rộng về phía
thƣợng lƣu nhƣ một sân phủ nhằm kéo dài đƣờng viền thấm qua nền, giảm gradient
thấm, giảm lƣu lƣợng thấm và áp lực thấm. Hình 1-3 minh họa một đập đất sử dụng giải
pháp thảm chống thấm cho thân và nền đập.
Hình 1-3 Tƣờng nghiêng chống thấm + sân phủ
Vật liệu làm tƣờng nghiêng phải có hệ số thấm nhỏ nhƣ đất sét, màng HDPE, thảm
sét địa kỹ thuật, v.v... Tƣờng nghiêng có thể thực hiện đƣợc cho một đập mới, nhƣng
khó thực hiện trong trƣờng hợp sửa chữa đập đang tích nƣớc [34]. Ƣu điểm của giải
pháp là dễ thi công, tuy nhiên phải tháo cạn hồ trong thời gian xây dựng. Giải pháp này
không phù hợp với các đập có chiều dày tầng thấm nƣớc lớn [6].
1.2.3.3 Tường hào chống thấm
Hình 1-4 Tƣờng hào tại tim đập
Nhờ những tiến bộ trong thiết bị thi công, những năm gần đây đã sử dụng tƣờng
hào trong xử lý thấm cho đập đất đang tích nƣớc, nhằm hạ thấp đƣờng bão hòa trong
12
thân đập, giảm lƣợng nƣớc thấm, gradient và áp lực thấm. Vật liệu làm tƣờng hào có thể
là bentonite + xi măng (tƣờng hào bentonite), đất + xi măng + bentonite, đất + xi măng
(cọc đất xi măng trộn sâu), đất đầm nện (cọc đất đầm nện), v.v…
Tƣờng hào có thể đƣợc bố trí tại các vị trí: tim đập, cơ thƣợng lƣu tùy thuộc vào
hiện trạng thấm của từng đập cụ thể. Khi xây dựng tƣờng hào, tùy thuộc vào vị trí,
phƣơng pháp thi công mà có thể yêu cầu tháo cạn hay giảm mực nƣớc hồ chứa [3], [8],
[9], [10], [15].
1.2.4 Kiểm soát thấm cho đập khi hồ đang tích nước
Kết cấu dùng để thu lọc và thoát nƣớc thấm (còn có cách gọi tắt là tầng lọc) cho
đập đất nhằm kiểm soát dòng thấm có thể bao gồm:
Tầng lọc ngƣợc để ngăn chặn xói ngầm;
Hệ thống để thu gom và tiêu thoát lƣợng nƣớc thấm;
Đối với nền đập có dạng giếng giảm áp để giảm áp lực đẩy nổi.
Những kết cấu này có thể sử dụng độc lập hoặc đƣợc kết hợp lại để giải quyết tình
trạng thấm của một đập đất cụ thể.
Về nguyên tắc thiết kế cũng nhƣ bố trí các kết cấu lọc và thoát nƣớc thấm trong
thân đập về cơ bản là phải thực hiện các chức năng nhƣ: thoát nƣớc thấm qua thân và
nền đập về hạ lƣu, không cho dòng thấm thoát ra trên mái đập và bờ vai đập hạ lƣu; hạ
thấp đƣờng bão hòa để nâng cao độ ổn định cho mái đập hạ lƣu; ngăn ngừa các biến
dạng do thấm.
Tiêu chuẩn TCVN 8216-2009 - Thiết kế đập đất đầm nén trình bày 6 loại chủ yếu
là: tiêu nƣớc kiểu lăng trụ; kiểu áp mái; kiểu gối phẳng; kiểu ống dọc và dải lọc; kiểu
giếng ở chân đập; kiểu ống khói.
Trung Quốc có 4 loại theo Tiêu chuẩn SDJ 218-84 - thiết kế đập đất đá kiểu đầm
nén là: kết cấu tiêu nƣớc loại A hình lăng thể; tầng thoát nƣớc sát mái loại B; kết cấu
thoát nƣớc trong thân đập loại C; kết cấu thoát nƣớc tổng hợp.
13
(a) Kiểu lăng trụ (b) Kiểu áp mái
(c) Kiểu gối phẳng (d) Kiểu ống
(e) Kiểu hỗn hợp
14
(f) Kiểu ống khói không hoàn chình
Hình 1-5 Các dạng kết cấu lọc và thoát nƣớc
Sổ tay kỹ thuật tƣới tiêu đập đất của Viện tƣới tiêu Nhật Bản giới thiệu 6 loại: tiêu
nƣớc ở chân phía hạ lƣu; ống tiêu nƣớc ngang; ống tiêu nƣớc đứng; ống tiêu nƣớc ghép;
ống tiêu nƣớc nền bảo vệ mái; và các loại khác: các ống tiêu dọc mặt phẳng tiếp xúc
giữa các bờ và chỗ tiếp giáp [11], [16].
Trong các tài liệu [3], [16] trình bày các dạng kết cấu thu lọc và thoát nƣớc ở hạ lƣu
đập đất vừa và nhỏ nhƣ Hình 1-5.
Nhận xét:
Trong các loại kết cấu trên (trừ kết cấu ở Hình 1-5b, thoát nƣớc áp mái) để thi
công đƣợc nhất thiết phải đào chân đập. Với đập đang tích nƣớc cần hết sức thận
trọng, phải tính toán ổn định khi đào chân đập để lắp đặt;
Vật liệu tầng lọc đều là cấp phối cát – đá/sỏi truyền thống, thiết kế thƣờng theo
cấu tạo;
Một số loại lộ thiên ngoài trời nên rất dễ bị bồi tắc.
1.3 Tồn tại trong thiết kế kết cấu thu lọc và thoát nƣớc thấm hạ lƣu đập đất
Bộ phận thu lọc và thoát nƣớc hạ lƣu đập là một hạng mục không thể thiếu cho đại
đa số các đập đất (trừ một số trƣờng hợp nhƣ đập có chiều cao dƣới 5 m; đập không
thƣờng xuyên chịu áp lực nƣớc, v.v…). Tuy nhiên, trong thực tế thiết kế biện pháp kiểm
soát thấm vẫn có những tồn tại, thậm chí sai lầm đáng tiếc. Các ví dụ sau đây ở trong và
ngoài nƣớc đƣợc trình bày để minh họa cho việc nhận thức về vai trò của kết cấu thu lọc
và thoát nƣớc thấm hạ lƣu đập đất.
15
1.3.1 Ví dụ ở nước ngoài
Tại Mỹ năm 2000 cũng đã xảy ra trƣờng hợp ở đập Washakie [39], do cần mở
rộng mặt cắt đập đã đắp áp trúc bằng khối đắp có tính chống thấm tốt hơn đập cũ, làm
đƣờng bão hòa trong thân đập dâng lên. Kết quả, đã phải đào bỏ toàn bộ khối đắp và
đắp lại với việc lắp đặt thêm tầng lọc nhƣ Hình 1-6.
Nhằm nâng cao nhận thức về vai trò của kết cấu lọc/kiểm soát thấm, hạn chế các
sai sót của các kỹ sƣ, năm 2011 Cục ứng cứu khẩn cấp liên bang Hoa Kỳ (Federation
Emergency Menagement Agency - FEMA) đã xuất bản cuốn “Kết cấu lọc trong đập đất
– Sử dụng cho thiết kế và thi công” (Filter for Embankment Dams- Best Practice for
Design and Construction) [36]. Trong tài liệu này, yêu cầu khi đắp áp trúc hạ lƣu quy
định phải đắp bằng loại đất có dung trọng cao, tính chống thấm trung bình và bắt buộc
phải có lớp lọc và thoát nƣớc, quy mô khối gia tải bố trí nhƣ Hình 1-7.
Hình 1-6 Ví dụ về một công trình xử lý sai lầm ở Mỹ [39]
Hình 1-7 Bố trí hợp lý kết cấu lọc khi đắp áp trúc theo khuyến cáo của FEMA [36]
1.3.2 Ví dụ ở Việt Nam
Trong hồ sơ thiết kế nâng cấp chống thấm đập đất [29], các tƣ vấn thƣờng chỉ định
nhƣ sau:
16
- Chống thấm: Đắp áp trúc thƣợng lƣu, khoan phụt vữa chống thấm, tƣờng hào,
v.v…
- Kiểm soát thấm: kết cấu thoát nƣớc áp mái.
Cách hiểu và cách làm máy móc nhƣ trên nhiều khi dẫn đến tốn kém mà không
hiệu quả, thậm chí còn phản khoa học, ví dụ nhƣ:
- Sử dụng thoát nƣớc kiểu áp mái lộ thiên ở chân hạ lƣu nhƣ Hình 1-8 và Hình 1-9,
phần áp mái này để lộ thiên, không có lớp đất phủ đè lên trên. Việc để lộ kết cấu
thoát nƣớc nhƣ vậy có nhƣợc điểm là đất cát trôi vào tầng lọc, cỏ và rễ cây sẽ
nhanh chóng phát triển trong đống đá, phải làm vệ sinh thƣờng xuyên và nguy cơ
tắc là cao.
Hình 1-8 Đắp áp trúc mái hạ lƣu ở đập Quý Lộ (Nghệ An) [29]
- Khi kết hợp đắp áp trúc và thoát nƣớc kiểu áp mái ở chân hạ lƣu nhƣ Hình 1-8,
thƣờng gặp phải một số sai sót nhƣ lựa chọn vật liệu đắp áp trúc có hệ số thấm
nhỏ hơn hệ số thấm của thân đập cũ, đây chính là nguyên nhân làm cho đƣờng
bão hoà dâng cao và khả năng mất an toàn thấm là rất lớn.
Một ví dụ nhƣ ở đập Triệu Thƣợng (tỉnh Quảng Trị): sử dụng đắp áp trúc kết hợp
với thoát nƣớc kiểu áp mái ở chân hạ lƣu (Hình 1-9) gây sự cố, thậm chí đã gây ra sự cố
trƣợt mái đập nhƣ hình ảnh ở Hình 1-10. Trong công trình này, sai lầm ở chỗ xử lý thấm
bằng biện pháp đắp áp trúc mái hạ lƣu nhƣng không có biện pháp thoát nƣớc thấm hợp
lý, đơn giản là làm thêm thoát nƣớc áp mái kết hợp lăng trụ ở hạ lƣu. Dẫn đến nƣớc
thấm bị ứ lại tại mặt tiếp xúc giữa đập cũ và khối áp trúc làm mới, đƣờng bão hòa dâng
cao dẫn đến trƣợt mái nhƣ Hình 1-10.
Hoặc nhƣ ở đập Hàm Lợn (Sóc Sơn, Hà Nội) có lắp đặt ống thu nƣớc nƣớc đặt sâu
trong chân mái hạ lƣu đập đất để không cho đƣờng bão hòa xuất hiện trên mái. Tuy
17
nhiên, do chọn loại ống tiêu nƣớc không đảm bảo yêu cầu về lọc nên sau một thời gian
bị tắc nghẽn ống. Hình 1-11 cho thấy hiện tƣợng ống thu nƣớc bị tắc, dòng thấm thoát
ra ở chân hạ lƣu.
Hình 1-9 Đắp áp trúc mái hạ lƣu ở đập Triệu Thƣợng (Quảng Trị) [29]
Hình 1-10 Hình ảnh trƣợt mái hạ lƣu Triệu Thƣợng (Quảng Trị) [29]
a) Dòng thấm đổ ra mái do lọc bị tắc b) Bùn đất lọt vào ống thoát nƣớc
Hình 1-11 Sử dụng ống đục lỗ ở đập Hàm Lợn (Sóc Sơn, Hà Nội) [29]
Nói tóm lại, nhận thức không đầy đủ việc kiểm soát thấm ở hạ lƣu đập đất dẫn đến
việc áp dụng không đúng kết cấu thu và lọc nƣớc, hoặc kết cấu thu lọc nƣớc không làm
đƣợc chức năng thu – lọc và thoát nƣớc thấm dẫn đến không phát huy hiệu quả, thậm
chí còn gây nguy cơ sự cố đập. Nhận xét việc thiết kế kết cấu lọc thoát nƣớc khi nâng
18
cấp chống thấm đập đất vừa và nhỏ ở Việt Nam hiện nay có thể tóm tắt nhƣ sau:
Các kỹ sƣ ít quan tâm đến việc phân tích nguyên nhân thấm để áp dụng kết cấu
kiểm soát thấm phù hợp, các giải pháp thƣờng nghiêng về chọn giải pháp chống
thấm;
Chƣa quan tâm đúng mức đến việc thiết kế tầng lọc hoặc không tính toán cấp
phối tầng lọc, hồ sơ thiết kế chỉ có những chỉ dẫn chung chung (ghi là: cát 10 cm,
đá dăm 20 cm, v.v….); hoặc đƣa ra chỉ dẫn biện pháp kiểm soát thấm không phù
hợp. Ví dụ, nếu nguyên nhân thấm là do nền thì biện pháp kiểm soát thấm bằng
thoát nƣớc kiểu áp mái là không phù hợp;
Lạm dụng kết cấu lọc kiểu áp mái và đống đá tiêu nƣớc ở chân. Thực tế cho thấy
rằng kết cấu này có nhƣợc điểm là nằm lộ thiên, do đó dễ bị tắc do cây cỏ mọc
hoặc bùn đất trôi từ mái xuống, hiệu quả hạ thấp đƣờng bão hòa không cao;
Với các công trình đang tích nƣớc nếu xuất hiện vệt thấm ở mái hạ lƣu, các chủ
đập thƣờng không chủ động xử lý, thƣờng chờ các tƣ vấn chuyên nghiệp lập dự
án thiết kế. Việc xử lý không kịp thời dẫn đến thấm ngày càng trầm trọng.
Nhằm khắc phục các tồn tại, trong năm 2017, Bộ Nông nghiệp và PTNT cho triển
khai 3 hƣớng dẫn kỹ thuật phục vụ chƣơng trình nâng cao an toàn đập, gồm: (1) Hƣớng
dẫn chống thấm đập đất; (2) Hƣớng dẫn đắp áp trúc mái hạ lƣu; (3) Hƣớng dẫn sửa chữa
cống dƣới đập. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chƣa có tài liệu nào hƣớng dẫn nào đề cập
đến việc cải tạo kết cấu thu lọc nƣớc thấm sau đập đất vừa và nhỏ, phù hợp với điều
kiện hồ đang tích nƣớc. Các tài liệu hiện có chủ yếu phù hợp khi thiết kế đập đắp mới.
1.4 Cơ chế vỡ đập do thấm và xói ngầm
1.4.1 Sự hình thành và phát triển của xói ngầm ở đập đất
Hình 1-12 mô tả quá trình phá hoại đập đất do dòng thấm và xói ngầm [33], [35],
[36], [38], [39]. Theo đó có thể chia làm 2 nhóm cơ chế:
- Nhóm 1: Đƣờng bão hòa trong thân đập dâng cao trên mái hạ lƣu, gradient cao tại
điểm ra mà bong bật một vài hạt đất, dần lôi kéo theo cả một vùng bề mặt và phát
triển lên đỉnh đập, gây sạt lở đỉnh đập dẫn đến tràn đỉnh rồi vỡ đập;
Nhóm 2: Xuất hiện xói ngầm ở chân hạ lƣu, hình thành một ống xói phát triển dần
19
a, Sự phát triển của dòng thấm trong đập
b, Xói chân hạ lƣu
c, Xói mái hạ lƣu
d, Xói ngầm phát triển dần về thƣợng lƣu
e, Xói mặt phát triển dần về phía thƣợng
về thƣợng lƣu. Ống xói phát triển đến một mức độ nào đó thì gây vỡ đập.
lƣu
f, Xói ngầm gây vỡ đập
Hình 1-12 Quá trình phá hoại đập đất do dòng thấm
Hình 1-13 Thấm quá mức ra mái hạ lƣu Hình 1-14 Ống xói hình thành dọc theo
cống lấy nƣớc gây vỡ đập
1.4.2 Xử lý đường bão hòa trong thân đập dâng cao trên mái hạ lưu
Trong phân tích xử lý thấm ta cần phải xác định đƣợc các vùng an toàn cao, vùng
an toàn và vùng nguy cơ mất an toàn [18]. Để xác định đƣợc các vùng này cần tìm ra
đƣờng bão hòa giới hạn trên và giới hạn dƣới. Xác định đƣờng bão hòa trong thân đập
ứng với các hệ số thấm của thân và nền đập thay đổi. Tìm đƣờng giới hạn trên bằng
cách cố định hệ số thấm của nền ứng với đƣờng bão hòa nằm cao nhất, thay đổi hệ số
thấm của thân đập sao cho hệ ổn định Kminmin = [K]cp; Tìm đƣờng giới hạn dƣới bằng
cách cố định hệ số thấm của nền ứng với đƣờng bão hòa nằm cao nhất, thay đổi hệ số
thấm của thân đập sao cho hệ ổn định Kminmin = 1.2x[K]cp.
20
Hình 1-15 Tiêu chí an toàn xét đến điểm ra của đƣờng bão hòa [18]
Nếu điểm ra của đƣờng bão hòa nằm trên mái hạ lƣu ở mức ao > [agh] (Hình 1-15)
thì phải có giải pháp để hạ thấp đƣờng bão hòa bằng cách làm thêm tƣờng chống thấm
hoặc cải tạo hệ thống thu lọc nƣớc thấm.
1.4.3 Xử lý hiện tượng xói ngầm và lấp tắc trong tầng lọc
Xói ngầm là một dạng phá hoại đất hòn mảnh hoặc chất nhét trong khe nứt và hốc
cát tơ ở đá cứng và đá nửa cứng do dòng thấm gây ra. Xói ngầm phát triển tƣơng đối
chậm (hàng năm, hàng chục năm) nhƣng phổ biến rộng rãi trong thiên nhiên và biểu
hiện rất đa dạng. Chẳng hạn, nếu ở chân sƣờn đồi hoặc chân mái dốc quan sát thấy điểm
lộ cát – sỏi bão hòa nƣớc và thấy xói mòn phát triển thì những loại đất này trở nên xốp
rời, nhất là trong vùng nƣớc dƣới đất thoát ra ngoài, do các hạt nhỏ bị moi chuyển đi bởi
thế, độ chặt của đất giảm xuống và độ rỗng tăng lên [16].
Bằng phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm, đã có nhiều nhà nghiên cứu hiện
tƣợng xói ngầm xảy ra trong đất và xói ngầm xảy ra giữa các lớp vật liệu làm tầng lọc.
Điển hình nhƣ các kết quả nghiên cứu của N.M. Bôtskôv (1936), A.N. Patrasev (1938,
1945); V.X. Ixtomina (1957) cho kết luận: xói ngầm phát triển chủ yếu trong đất có hệ
số không đồng nhất về thành phần hạt lớn hơn 20 và gradient thủy lực lớn hơn 5 [20].
TCVN 8422: 2010 [23] trình bày cách xác định đƣờng kính tính toán các hạt tạo
vòm tại chỗ tiếp xúc của đất với lọc ngƣợc theo nguyên lý sau:
Sự không rơi vãi các hạt nhỏ của đất vào trong đất có hạt to, đƣợc bảo đảm trong
trƣờng hợp nếu trong vùng tiếp xúc giữa chúng với nhau có sự tạo vòm ổn định bằng
hạt nhỏ. Do đó để đảm bảo không rơi vãi các hạt cốt đất đƣợc bảo vệ vào trong lớp thứ
21
nhất của lọc ngƣợc, phải lựa chọn thành phần hạt sao cho trong vùng tiếp xúc có thể
hình thành các vòm ổn định cấu tạo bởi các hạt nhỏ nhất của cốt đất đƣợc bảo vệ.
Nếu lớp thứ nhất của tầng lọc ngƣợc nằm trên đất thì điều kiện quyết định độ bền
và độ ổn định chỗ tiếp xúc của chúng là sự hình thành những vòm ổn định cấu tạo bởi
các hạt của cốt đất. Vì vậy các hạt đất không luồn chui vào lớp lọc cũng nhƣ các hạt của
lớp lọc không chui vào đƣợc trong đất. Trong các trƣờng hợp nhƣ vậy, đôi khi ngƣời ta
nói rằng tầng lọc ngƣợc không ép lấn vào đất mà nó bảo vệ.
Nhiều thí nghiệm với kết cấu lọc ngƣợc đều hạt và dị hạt đã chỉ cho thấy rằng:
vòm ổn định đƣợc tạo trong trƣờng hợp đƣờng kính các lỗ rỗng của lọc lớn hơn đƣờng
kính các hạt tạo vòm không quá 1,8 lần.
Một vấn đề khác cần quan tâm khi thiết kế tầng lọc là phải xét đến hiện tƣợng lấp
tắc tầng lọc. Hình 1-16 mô tả cơ chế lấp tắc tầng lọc. Dòng thấm đi từ lớp cát sang lớp
dăm sỏi, khi hệ số không đều hạt N = d60:d10 < 20 nhƣng J >5 thì có khả năng lôi cuốn
các hạt cát nhỏ đi vào lớp dăm sỏi. Đầu tiên, gradient cao trong thân đập tạo ra một kẽ
nứt, nƣớc thấm theo đó lôi cuốn hạt cát nhỏ chuyển động, có một số hạt hoặc là trôi qua
lớp cát, nhƣng cũng có một số hạt mắc lại chỗ mặt tiếp xúc. Nếu cấp phối hạt tốt thì sẽ
hình thành một lớp lọc tự nhiên tại mặt tiếp xúc, lớp này sẽ giữ lại các hạt đất nhỏ từ
thân đập thoát ra ngoài. Nhƣng cũng có thể tích lũy các hạt nhỏ thành bánh ở mặt tiếp
xúc gây hiện tƣợng lấp tắc tầng lọc.
Các nghiên cứu trƣớc đây đã khẳng định rằng một lớp vật liệu đƣợc thiết kế đúng
cách tại một khu vực đang xảy ra thấm có thể làm ngăn chặn sự dịch chuyển các vật liệu
trong thân đập hoặc đất nền trong khi vẫn cho phép để cho nƣớc thấm tiếp tục đƣợc thải
ra một cách an toàn.
Hầu hết nghiên cứu tầng lọc trƣớc đây đều tìm cách thiết kế lớp vật liệu vừa đủ
mịn để ngăn chặn sự di chuyển của các hạt đất và đủ thấm để nƣớc tự do đi qua. Những
nghiên cứu này tập trung vào xác định cỡ hạt cần thiết của một tầng lọc cho đất cần bảo
vệ. Các loại đất đƣợc nghiên cứu nhiều nhất là đất có hàm lƣợng hạt mịn tƣơng đối
thấp, cát pha cấp phối kém bởi vì đó là những vật liệu dễ bị xói mòn đối với đùn đất
thấm [36].
22
a, b,
c, d,
Hình 1-16 Cơ chế lọc và lấp tắc tầng lọc [36]
Lịch sử nghiên cứu về tầng lọc tại Mỹ: Năm 1902, những nghiên cứu về tầng lọc
bắt đầu cho đập Bohio. Năm 1925, Terzaghi đƣa ra những quan điểm cơ bản về việc
kiểm soát dòng thấm qua đập. Năm 1941, hiệp hôi kỹ sƣ Mỹ đƣa ra tiêu chuẩn đầu tiên
cho việc thiết kế tầng lọc. Năm 1955, Cục Khai hoang ban hành Tiêu chuẩn thiết kế
tầng lọc. Năm 1984, Sherard nghiên cứu tầng lọc cho các vùng đập dễ bị nứt. Năm
1994, Ủy hội đập lớn thế giới ra tập Hƣớng dẫn thiết kế tầng lọc. Năm 2001, Foster
nghiên cứu tầng lọc tại các vùng tiếp xúc giữa đập và công trình bê tông. Năm 2003,
Milligan nghiên cứu tầng lọc sau các kết cấu bê tông bị nứt.
Từ những năm 1990, vải lọc (Geotextile) bắt đầu đƣợc sử dụng. Đầu tiên là để
phân cách giữa các lớp đất, sau đó đƣợc dùng để làm chức năng lọc. Quy trình tính toán
lựa chọn vải lọc cũng đã tƣơng đối hoàn chình. Chính vì sự tiện dụng của vải lọc trong
thi công nên có một thời gian dài vải lọc tƣởng nhƣ có thể khai tử kết cấu lọc truyền
thống (dăm, sỏi, cát). Tuy nhiên, khi áp dụng các kỹ sƣ đã lạm dụng quá mức, chỉ định
loại vải theo kinh nghiệm mà không tính toán, thí nghiệm dẫn đến vải lọc bị tắc sau một
23
thời gian sử dụng. Nhiều sự cố công trình đã xảy ra là do nguyên nhân này.
Những nghiên cứu về nguyên nhân vải địa kỹ thuật bị tắc đã chỉ ra rằng, khi áp vải
địa kỹ thuật lên mặt một lớp dăm sỏi vải bị uốn lƣợn theo các hạt sỏi mà không hình
thành “cầu vòm” nhƣ cách mà các hạt cát tự nhiên tạo ra với hạt sỏi để hình thành lớp
lọc tự nhiên. Chính vì vậy Ban đánh giá an toàn đập Quốc gia cho rằng vải địa kỹ thuật
không nên đƣợc sử dụng tại các vị trí vừa quan trọng đối với sự an toàn đập và vừa
không thể tiếp cận để thay thế” [36].
1.5 Tiêu chuẩn hƣớng dẫn thiết kế tầng lọc
Thiết kế kết cấu thu lọc nƣớc thấm trong đập đất theo các hƣớng dẫn hiện hành
tìm cách thiết kế lớp vật liệu vừa đủ mịn để ngăn chặn sự di chuyển của các hạt đất và
đủ thấm để nƣớc tự do đi qua. Những nghiên cứu này tập trung vào xác định cỡ hạt cần
thiết của một tầng lọc cho đất cần bảo vệ và xét đến hiện tƣợng tạo vòm ổn định vùng
tiếp xúc giữa các lớp lọc. Tiêu chuẩn thiết kế tầng lọc TCVN 8422- 2010 [23] gồm các
nội dung sau:
1.5.1 Bộ phận thu lọc và thoát nước trong thân đập ở hạ lưu
Thoát nƣớc thấm qua thân và nền đập về hạ lƣu, không cho dòng thấm thoát ra
trên mái đập và bờ vai đập hạ lƣu;
Hạ thấp đƣờng bão hòa để nâng cao độ ổn định cho mái đập hạ lƣu;
Ngăn ngừa các biến dạng do thấm.
1.5.2 Yêu cầu đối với bộ phận thu lọc và thoát nước thấm thân đập
Đủ khả năng thoát nƣớc thấm qua thân đập và nền đập;
Đảm bảo không cho đƣờng bão hòa chảy ra mái đập;
Cần thiết kế theo nguyên tắc thoát nƣớc kiểu tầng lọc ngƣợc;
Không cho phép xói ngầm thân đập và nền đập;
Không cho phép xói ngầm bản thân bộ phận thấm nƣớc;
Thuận tiện cho quan trắc và sửa chữa.
24
1.5.3 Thành phần của hạt lọc ngược
Bảo đảm không có hiện tƣợng các hạt đất của đất thân đập, đất nền công trình
xâm nhập vào trong tầng lọc ngƣợc;
Ngăn ngừa xói ngầm cơ học trong vùng tiếp xúc với lọc;
Bảo đảm không có sự ứ đọng bồi tắc lọc ngƣợc do các hạt nhỏ đƣợc dòng thấm
mang từ vùng đất cần bảo vệ qua tầng lọc;
Ngăn ngừa đƣợc xói ngầm cơ học nguy hiểm đối với độ bền và ổn định của lọc
ngƣợc trong bản thân lớp lọc;
Chiều dày các lớp lọc phải đƣợc ấn định có xét đến biện pháp thi công.
1.5.4 Nhiệm vụ thiết kế tầng lọc ngược
Xác lập các thông số tính toán (thành phần hạt, khối lƣợng thể tích, độ rỗng, hệ
số thấm, v.v…) của đất đƣợc lọc ngƣợc bảo vệ; đánh giá độ bền và ổn định (độ
xói ngầm) của đất và xác định kích thƣớc tính toán của hạt đất tạo vòm theo
thành phần đất và những điều kiện thủy động của dòng thấm.
Xác định thành phần hạt của lớp thứ nhất và các lớp tiếp theo của lọc ngƣợc chọn
từ các vật liệu thiên nhiên hoặc nhân tạo;
Xác định chiều dày và số lớp của lọc ngƣợc.
1.5.5 Các trường hợp tính toán khi thiết kế thành phần hạt của lọc ngược
Trƣờng hợp I: đất cần bảo vệ có thành phần hạt không xói ngầm, đối với loại đất
này, yêu cầu thiết kế lớp thứ nhất của lọc ngƣợc cũng có thành phần hạt không
xói ngầm;
Trƣờng hợp II: đất cần bảo vệ có thành phần hạt xói ngầm, đối với loại đất này
yêu cầu thiết kế lớp thứ nhất của lọc ngƣợc bằng vật liệu có thành phần hạt
không xói ngầm.
1.5.6 Yêu cầu chung đối với kết cấu lọc ngược trong công trình thủy công
Độ thấm nƣớc của lọc ngƣợc phải rất lớn so với độ thấm nƣớc của đất đƣợc nó
bảo vệ.
25
Thành phần của hạt lọc ngƣợc phải chọn sao cho:
Bảo đảm không có hiện tƣợng các hạt đất của vùng đất cần bảo vệ (đất thân
đập, đất nền công trình thủy công) không đƣợc phép xâm nhập vào trong tầng
lọc ngƣợc cũng nhƣ ngăn các hạt đất vùng cần bảo vệ vào thân lọc ngƣợc
hoặc vào trong kết cấu tiêu nƣớc hoặc đá đổ;
Ngăn ngừa đƣợc sự phát triển nguy hiểm đối với độ bền và độ ổn định của đất
cần bảo vệ về xói ngầm cơ học trong vùng tiếp xúc với lọc;
Bảo đảm không có sự ứ đọng bồi tắc lọc ngƣợc do các hạt nhỏ đƣợc dòng
thấm mang từ vùng đất cần bảo vệ qua tầng lọc. Do đó lọc tầng lọc ngƣợc
phải giữ đƣợc các hạt có đƣờng kính cần bảo vệ của vùng đất thân đập hoặc
nền công trình thủy công và cho phép các hạt nhỏ hơn (các hạt có đƣờng kính
nhỏ không thuộc đối tƣợng bảo vệ của nền đất, thân đập) thoát qua;
Ngăn ngừa đƣợc xói ngầm cơ học nguy hiểm đối với độ bền và độ ổn định
của lọc ngƣợc trong bản thân lớp lọc;
Nếu đất cần bảo vệ là không xói ngầm thì không cần thỏa mãn các điều kiện
thứ 2 và thứ 3 khoản b, điều này đã chỉ ở trên khi chọn thành phần lọc ngƣợc.
Nếu ngay cả thành phần lọc ngƣợc cũng là không xói ngầm thì không cần
thỏa mãn cả điều kiện thứ 4 khoản b, điều này đã nêu ở trên. Trong trƣờng
hợp nhƣ vậy chỉ yêu cầu thỏa mãn điều kiện thứ nhất nghĩa là đảm bảo không
có sự rơi vãi hạt cốt đất vào lọc ngƣợc.
Chiều dày của một lớp lọc ngƣợc bất kỳ phải lớn hơn chiều dày của vùng tiếp
xúc nối tiếp rất nhiều. Lớp lọc phải có chiều dày sao cho trong lớp đó hình thành
đƣợc cốt đất có thành phần hạt thích ứng và có khả năng chịu tác dụng của ngoài
tải. Chiều dày các lớp lọc phải đƣợc ấn định có xét đến biện pháp thi công.
Thi công lớp lọc ngƣợc phải tiến hành sao cho đảm bảo đƣợc độ đồng đều của
thành phần hạt vật liệu theo chiều dày và theo mặt bằng của từng lớp lọc. Cũng
không cho phép phân lớp vật liệu khi xếp các lớp của lọc ngƣợc.
26
Nhận xét:
Việc áp dụng Tiêu chuẩn thiết kế tầng lọc ngƣợc theo Tiêu chuẩn Việt Nam
TCVN 8422: 2010 [23] hoặc theo Tiêu chuẩn Mỹ FEMA-1970 [36] đều phải tuân thủ
quy trình tính và yêu cầu rất phức tạp. Nhiều khi, do điều kiện khó tìm đƣợc loại vật
liệu đáp ứng yêu cầu hoặc phải sàng tuyển rất tốn kém nên khi thi công cũng khó đạt
đƣợc nhƣ thiết kế.
Trong việc nâng cấp sửa chữa đập đất đang tích nƣớc, đặc biệt là các hồ đập vừa
và nhỏ cần xử lý thấm lọc và thoát nƣớc nhƣ thế nào để vừa làm tốt chức năng lọc và
thoát nƣớc thấm, vừa bảo đảm an toàn trong điều kiện hồ đang tích nƣớc là vấn đề rất
đáng đƣợc quan tâm.
Sử dụng kết cấu lọc ngƣợc có hình thức cấu tạo nhƣ cho đấp đắp mới vào trong
nâng cấp cải tạo các hồ đập vừa và nhỏ đang tích nƣớc khó thực hiện vì các lý do sau
đây: (i) kỹ thuật tính 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 có thể 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.
Luận án hƣớng đến việc cải tiến kết cấu tầng lọc cho phép đơn giản quy trình tính
toán để áp dụng phù hợp cho các đập vừa và nhỏ trong điều kiện đang tích nƣớc.
1.6 Giới thiệu sáng chế “nêm cát để thu lọc nƣớc thấm hạ lƣu đập đất”
1.6.1 Mô tả sáng chế
Nhƣ chúng ta đã biết chức năng chính của tầng lọc là lọc và thoát nƣớc thấm nhằm
hạ thấp đƣờng bão hòa, ngăn chặn hiện tƣợng xói ngầm. Về nguyên tắc, tầng lọc càng
bố trí sâu vào tim đập thì hiệu quả hạ thấp đƣờng bão hòa càng cao. Tuy nhiên, với các
đập đang tích nƣớc, việc đào chân đập trên phạm vi lớn gây nguy cơ mất an toàn.
Mục tiêu của sáng chế là làm mới, thay thế vật thoát nƣớc hiện có bằng kết cấu
nêm cát để lọc và thu nƣớc thấm, cho phép chỉ đào chân đập ở mức độ hạn chế (dạng
các rãnh hình nêm nằm cách quãng kiểu răng lƣợc), đảm bảo an toàn khi đập đang tích
nƣớc; sau khi đặt kết cấu lọc xong nêm nào thì lấp đất ngay nêm đó, kiểu cuốn chiếu do
27
đó sẽ không ảnh hƣởng đến an toàn đập.
Trên Hình 1-17, trong phạm vi chân mái đập bị thấm (7) có thể đào các rãnh hình
nêm cách nhau một khoảng L (Hình 1-17a) hoặc đặt áp áp mái vào thân đập đất cũ
(Hình 1-17b). Chiều rộng rãnh đào (W) thông thƣờng chọn bằng bội số bề rộng gầu đào,
tối thiểu 1 m, mái đào hai thành bên thẳng đứng, mái đào phía lƣng có độ dốc m3 = V/H
(chiều thẳng đứng /chiều nằm ngang), phụ thuộc tình trạng ổn định của chân đập,
thƣờng chọn 1:0,5.
a) b)
Hình 1-17 Cắt theo chiều dòng thấm (cắt ngang đập) qua nêm cát [14].
Lớp lọc cát vàng hạt thô (4) áp vào lƣng của rãnh hình nêm, đến điểm ra đƣờng bão
hòa xuất hiện trên mái đập (hd). Lớp cát lọc có dạng bình hành, đáy phía trên kích thƣớc
B1, đáy phía dƣới kích thƣớc B2. Giá trị trung bình của B1 và B2 ít nhất là 1 m mới đủ
dày để bố trí băng thu nƣớc. Mái phía ngoài của khối cát lọc hệ số mái m2. Giá trị hệ số
mái m2, phụ thuộc điều kiện thi công lớp cát lọc.
Đầu tiên, rải một lớp cát dày 30 cm, sau đó đặt băng thu nƣớc khía rãnh (1) gắn trên
ống PVC có đƣờng kính bằng D90 (2) để dẫn nƣớc thấm ra khỏi đập, ống thu nƣớc cần
luôn phải đảm bảo dòng chảy trong ống duy trì không áp. Sau đó tiếp tục đắp cát từng
lớp 30 cm đồng thời với việc đắp khối đất áp bên ngoài và đầm chặt cho đến khi lên đến
độ cao đỉnh h1.
Đƣờng bão hòa (6) bị thu vào tầng cát lọc (4), bị hút vào băng thu nƣớc (1) rồi đổ
vào ống PVC (2) rồi đi về ống (3) để đi ra khỏi đập.
Điểm đặc biệt trong kết cấu nêm cát là: thay vì phải thiết kế tầng lọc với các lớp
28
hạt rời (cát, đá, sỏi) có cấp phối hợp lý để ngăn chặn xói ngầm tiếp xúc giữa các lớp, kết
cấu nêm cát sử dụng một lớp cát hạt thô với phần lõi là băng thu nƣớc khía rãnh đƣợc
mô tả chi tiết dƣới đây. Sáng chế này tạo ra một kết cấu thu lọc nƣớc ở chân hạ lƣu đập
đất để hạ thấp đƣờng bão hòa, thu nƣớc thấm để thoát ra ngoài nhƣng giữ lại, không cho
phép các hạt đất đi theo dòng nƣớc. Nêm cát theo sáng chế hoạt động nhƣ kết cấu ống
khói thoát nƣớc (chimney filter and drain).
Hình 1-18 Mặt bằng của hệ thống nêm cát bố trí theo dạng ngắt quãng [14]
Việc đào rãnh có thể tiến hành đồng thời hoặc đào rãnh nào xong thì lắp đặt kết
cấu lọc ngay rồi lấp lại lần lƣợt từng rãnh. Điều này tùy thuộc vào điều kiện cho phép
của từng công trình nhằm đảm bảo an toàn cho đập.
Trong mô tả sáng chế (xem chi tiết Phụ lục 2) tác giả chƣa đề cập đến khoảng cách
giữa các nêm cát nhƣ thế nào là hợp lý, hiệu quả hạ thấp đƣờng bão hòa và chất lƣợng
lọc cũng chƣa đƣợc kiểm chứng trong thực tế.
1.6.2 Cơ chế lọc loại bỏ hạt bụi bằng băng khía rãnh đặt trong nêm cát
Băng thu nƣớc khía rãnh là một sản phẩm đƣợc chế tạo sẵn, có cấu tạo đặc biệt.
Hình 1-19a là cắt ngang một băng cho thấy rãnh có hình Ω, với miệng khe có chiều
rộng 0,2 đến 0,25 mm (bằng giới hạn dƣới của cát hạt thô), bên trong phình ra thành lõi
có đƣờng kính khoảng 0,5 mm. Băng có chiều rộng 20 cm, đƣợc cắm vào ống PVC nhƣ
Hình 1-19b. Mặt không khía rãnh luôn nằm trực tiếp đón dòng thấm, mặt khía rãnh ở
sau. Nƣớc thấm vì thế bao giờ cũng không trực tiếp chảy vào rãnh, mà phải vòng ra sau,
quá trình đó có thể hình dung nhƣ hiện tƣợng mao dẫn. Điều đó có tác dụng loại bỏ các
hạt bụi có trong dòng nƣớc, mô phỏng nhƣ Hình 1-19c.
29
a) mặt cắt của băng thu khía rãnh
b) Cách lắp băng thu vào ống PVC c) Nguyên lý loại hạt bụi bằng băng
Hình 1-19 Miêu tả cơ chế lọc hạt bụi của băng thu nƣớc khía rãnh [12]
Hình 1-20 Ảnh chụp cách thi công lắp đặt băng thu nƣớc khía rãnh [12]
Hình 1-20 là cách lắp đặt các ống PVC có gắn băng thu nƣớc đặt trong lớp cát hạt
thô. Nƣớc thấm trong thân đập đi vào lớp cát rồi theo nguyên lý mao dẫn đi vào lõi
băng, chảy vào ống PVC để đi ra ngoài.
Kết cấu lọc hạt bụi sử dụng băng thu nƣớc khía rãnh đƣợc ứng dụng nhiều trên thế
giới cũng nhƣ ở Việt Nam [12], [13], [27], [28]. Ƣu điểm của kết cấu lọc dạng này so
với kết cấu lọc nhiều lớp ở chỗ: (i) đơn giản trong việc thiết kế, sàng tuyển các lớp cấp
phối, chỉ cần sàng tuyển lớp cát vàng đảm bảo tiêu chuẩn theo TCVN 12286: 2018 [28];
30
(ii) do thiết kế theo cơ chế lọc chậm (vận tốc thấm rất nhỏ), kết hợp với cơ chế mao dẫn
nên nƣớc không cuốn theo các hạt bụi, giảm thiểu nguy cơ xói ngầm vùng tiếp xúc.
1.6.3 Khả năng thu và lọc nước của nêm cát
Lƣu lƣợng thu, lọc nƣớc của băng khía phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ: (i) nƣớc có
trong đất, đất bão hòa nƣớc thì mới có nƣớc để thu nƣớc vào băng; (ii) độ nhả nƣớc của
đất, đất có độ rỗng lớn (cuội sỏi, cát, cát pha) thì khả năng nhả nƣớc càng tốt. Chính vì
vậy luôn có lớp cát bao quanh băng, vừa làm nhiệm vụ nhƣ một ống khói thu nƣớc, vừa
là lớp chuyển tiếp giữa băng với đất đắp đập.
Trong Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 12286: 2018 [28]. Công trình cấp nƣớc sinh
hoạt nông thôn – Đập ngầm – Yêu cầu thiết kế, thi công và nghiệm thu có hƣớng dẫn
tính số lƣợng băng khía rãnh cần lắp đặt theo lƣu lƣợng yêu cầu đầu ra và điều kiện môi
trƣờng nƣớc dƣới đất nhƣ sau:
Chiều dài băng thu nƣớc cần lắp đặt thùy theo lƣu lƣợng cần thu/thoát:
(1-1)
trong đó:
Qc : Lƣu lƣợng cần thoát, tính bằng lít trên phút, (lít/phút);
Lb : Chiều dài băng thu nƣớc cần lắp đặt, tính bằng mét (m);
Wb : Lƣu lƣợng thu đƣợc trên 1 m chiều dài băng thu nƣớc (lít/phút/m), theo kết
quả thí nghiệm, tùy thuộc môi trƣờng ngập nƣớc (Hình 1-21).
a) Lớp nƣớc trên băng Hb <10cm b) Lớp nƣớc trên băng Hb>10cm
Hình 1-21 Kết quả thí nghiệm khả năng thu nƣớc của băng [28]
31
Trong trƣờng hợp lắp đặt nêm cát để thu nƣớc thấm trong đập đất, chọn theo điều
kiện môi trƣờng nghèo nƣớc [28] và lấy: Wb = 0,5 lít/phút/m.
1.6.4 Chất lượng lọc sau khi qua nêm cát
Tổng kết các công trình cấp nƣớc do Viện Thủy công xây dựng từ năm 2012 đến
nay [12] cho thấy, nhờ có kết cấu lọc đặc biệt nhƣ vậy nên nƣớc lấy ra đạt chất lƣợng
lọc rất tốt, hoạt động bền vững không bị phá hoại bởi điều kiện thiên nhiên phức tạp,
không bị lấp tắc nhƣ các kết cấu tƣơng tự nhờ sử dụng băng thu nƣớc khía rãnh và
nguyên lý lọc chậm. Đặc biệt, kết cấu này cho phép lọc đƣợc các hạt phù sa có trong
nƣớc về mùa lũ.
Bảng 1-2 Độ đục của nƣớc khi đã qua kết cấu lọc ở các công trình đã xây dựng
Chăn Nƣa Nậm Cha Hạ 1- Hạ 2 Bạch Long Vĩ Xóm Cƣơng
Công trình Chỉ tiêu
Trƣớc XD Sau XD Trƣớc XD Sau XD Trƣớc XD Sau XD Trƣớc XD Sau XD Trƣớc XD Sau XD
NTU 0,98 0,55 0,81 0,27 22,82 1,57 21,2 1,12 14,48 0,68 Độ đục
Nậm Mạ Thôn Niếng Đèo Lang QCVN Chiềng Lồng
Công trình Chỉ tiêu
Trƣớc XD Sau XD Trƣớc XD Sau XD Trƣớc XD Sau XD Trƣớc XD Sau XD Loại Loại II I
NTU 8,6 6,93 165 8,31 11,77 0 12,88 0 5 5 Độ đục
(Nguồn: Thuyết minh xây dựng TCVN “Đập ngầm, hào thu nước- Yêu cầu thiết kế, thi công và nghiệm thu, Viện Thủy công, năm 2016).
Bảng 1-2 cho thấy chất lƣợng lọc hạt bụi thể hiện qua chỉ số NTU (tổng hàm lƣợng
chất rắn lơ lửng) ở các công trình đã xây dựng hầu hết đạt tiêu chuẩn nƣớc sinh hoạt
nông thôn, với NTU < 5 (theo QCVN 02: 2009/BYT) [21]. Độ đục sau khi qua lọc thể
hiện chất lƣợng của kết cấu lọc.
1.7 Kết luận Chƣơng 1
Thấm là một nguyên nhân chủ yếu gây mất an toàn đập, đặc biệt các hồ đập vừa
và nhỏ ở Việt Nam. Để xử lý thấm ngƣời sử dụng giải pháp chống thấm hoặc kiểm soát
thấm, hoặc kết hợp cả hai. Trong đó, nâng cấp sửa chữa đập đất vừa và nhỏ đang tích
32
nƣớc ở Việt Nam hiện nay, các kỹ sƣ thƣờng chú trọng giải pháp chống thấm, ít quan
tâm đến giải pháp kiểm soát thấm. Kết cấu thu lọc và thoát nƣớc thấm thƣờng làm theo
cấu tạo, sử dụng các hình thức áp dụng cho đập làm mới, không hoàn toàn phù hợp với
các đập đang tích nƣớc.
Việc áp dụng Tiêu chuẩn thiết kế tầng lọc ngƣợc theo Tiêu chuẩn Việt Nam
TCVN 8422: 2010 hoặc theo Tiêu chuẩn Mỹ FEMA-1970 đều phải tuân thủ quy trình
tính và yêu cầu rất phức tạp. Nhiều khi, do điều kiện khó tìm đƣợc loại vật liệu đáp ứng
yêu cầu hoặc phải sàng tuyển rất tốn kém nên khi thi công cũng khó đạt đƣợc nhƣ thiết
kế. Trong việc nâng cấp sửa chữa đập đất đang tích nƣớc, đặc biệt là các hồ đập vừa và
nhỏ cần xử lý thấm lọc và thoát nƣớc nhƣ thế nào để vừa làm tốt chức năng lọc và thoát
nƣớc thấm, vừa bảo đảm an toàn trong điều kiện hồ đang tích nƣớc là vấn đề rất đáng
đƣợc quan tâm.
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 tính toán, thi
công nhanh có thể áp dụng cho đập vừa và nhỏ đang tích nƣớc. Tuy nhiên để có thế áp
dụng rộng rãi cần tiếp tục nghiên cứu làm rõ hiệu quả lý thuyết và thực tế.
33
CHƢƠNG 2
NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ NÊM CÁT
2.1 Đặt vấn đề
Nhƣ đã nói trong Chƣơng 1, Sáng chế nêm cát thu lọc nƣớc thấm là một giải pháp
mới để thu lọc nƣớc thấm sau đập đất, có khả năng ứng dụng cho đập vừa và nhỏ nhƣng
cần đƣợc nghiên cứu làm rõ cơ sở lý thuyết và hiệu quả thực tế để có thế áp dụng rộng
rãi.
Về lý thuyết, cần tính thấm và kiểm tra an toàn về thấm, cụ thể là:
a) Trong quá trình thi công
Xác định vị trí đƣờng bão hòa trƣớc khi lắp đặt, trong quá trình thi công và sau
khi lắp đặt;
Kiểm tra ổn định về trƣợt của đập trƣớc khi lắp đặt, trong quá trình thi công và
sau khi lắp đặt;
Xác định trị số gradient của dòng thấm tại điểm ra trên mặt gƣơng đào (đào rãnh
để lắp nêm cát mà chƣa kịp lấp lại) có thể gây ra xói ngầm.
b) Sau khi thi công xong
Xác định lƣu lƣợng thấm ở các trƣờng hợp mực nƣớc hồ khác nhau.
Làm rõ cơ chế thu nƣớc của nêm cát.
Đánh giá chất lƣợng lọc thông qua theo dõi thời gian dài.
c) Điều kiện biên tính toán
Đập vừa và nhỏ đang tích nƣớc.
Đập có mặt cắt phức tạp (thân đập nhiều khối, nền đập nhiều lớp).
Nêm cát có cấu tạo nhƣ miêu tả ở mục 1.6.1.
2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.1 Các phương pháp nghiên cứu trong phân tích thấm đập đất
Phƣơng pháp giải tích: Đây là phƣơng pháp sử dụng các định luật cơ bản về thấm
34
và hệ thống các lý thuyết để xác định các đặc trƣng của dòng thấm, bao gồm: phƣơng
pháp cơ học chất lỏng và phƣơng pháp thủy lực. Phƣơng pháp này chỉ giải quyết đƣợc
các bài toàn có biên đơn giản (đập đồng chất, nền không thấm nƣớc) [8], [16].
Phƣơng pháp vẽ lƣới thấm: bằng cách vẽ lƣới thấm còn gọi là lƣới thủy động lực
học, sẽ tính đƣợc tất cả các thông số của bài toán thấm có áp ổn định. Phƣơng pháp này
chỉ hạn chế dùng trong các trƣờng hợp thấm ổn định, nền đồng chất đẳng hƣớng, với
điều kiện biên đơn giản, bài toán phẳng [8], [16].
Phƣơng pháp mô hình số: nội dung chính của phƣơng pháp số là chia miền tính
toán thành các miền con và xác định các yếu tố dòng thấm tại các điểm nút của các
miền con đó. Đây là phƣơng pháp giải gần đúng các phƣơng trình vi phân. Phƣơng pháp
số bao gồm phƣơng pháp sai phân, phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH), phƣơng
pháp biến phân cục bộ, phƣơng pháp kết hợp phƣơng pháp biến phân cục bộ với
phƣơng pháp PTHH. Phƣơng pháp sai phân: Những bài toán mà biên hình học có nhiều
điểm góc, việc lấy gần đúng tọa độ của các điểm nút cũng làm cho kết quả sai lệch ít
nhiều. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn: Đối với bài toán không gian có khối lƣợng rất lớn
dẫn đến hệ phƣơng trình đại số có hàng trăm nghìn phƣơng trình thì tốc độ giải rất chậm
[32], [37].
Phƣơng pháp biến phân cục bộ (BPCB): Phƣơng pháp này khắc phục đƣợc nhƣợc
điểm của phƣơng pháp phần tử hữu hạn bằng cách tìm giá trị tại điểm nút thông qua
hàm tọa độ cục bộ. Đối với các bài toán có các biên cần xác định trong quá trình giải (ví
dụ đƣờng bão hòa) thì phƣơng pháp này không phù hợp.
Phƣơng pháp kết hợp phƣơng pháp biến phân cục bộ với phƣơng pháp phần tử
hữu hạn: để phát huy ƣu điểm và khắc phục nhƣợc điểm của hai phƣơng pháp BPCB và
PTHH, khi giải các bài toán cơ học môi trƣờng liên tục thƣờng sử dụng kết hợp hai
phƣơng pháp BPCB và PTHH; rất phù hợp dùng để xác định đƣờng bão hòa trong bài
toán thấm.
Phƣơng pháp thực nghiệm mô hình trong phòng: nghiên cứu thực nghiệm trong
phòng bao gồm ba phƣơng pháp chính là thí nghiệm trong máng kính hay còn gọi là mô
hình thí nghiệm vật lý, thí nghiệm khe hẹp Hele-Shaw, và thí nghiệm tƣơng tự điện [7],
[19], [20].
35
Phƣơng pháp thực nghiệm hiện trƣờng: phƣơng pháp thực nghiêm hiện trƣờng
thực chất là một phƣơng pháp mô hình thí nghiệm vật lý đƣợc thực hiện tại hiện trƣờng
với tỉ lệ thực 1:1. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là không gây nên sai số bởi thu nhỏ tỉ lệ
mô hình. Nhƣợc điểm là tốn kém kinh phí, thời gian, khó thực hiện lặp lại nhiều lần và
thay thế các thông số đầu vào nhƣ loại đất, cột nƣớc, kết cấu thoát nƣớc. Đối với những
công trình lớn và quan trọng nên dùng phƣơng pháp này để kiểm chứng và đối chiếu với
các phƣơng pháp khác nhƣ phƣơng pháp lý thuyết và mô hình số.
Trong Luận án, do tính phức tạp của bài toán tác giả đã sử dụng kết hợp 2 phƣơng
pháp để đánh giá hiệu quả của nêm cát, đó là:
Sử dụng mô hình số (các phần mềm thƣơng mại) để xác định các đặc trƣng của
dòng thấm;
Sử dụng thực nghiệm hiện trƣờng để kiểm tra an toàn về thấm.
2.2.2 Ứng dụng phương pháp mô hình số để phân tích thấm đập đất có nêm cát
Với các đập có điều kiện biên phức tạp: Hình dạng đập phức tạp (đập nhiều khối,
hệ số thấm khác nhau trong các khối); Nền phức tạp (nền nhiều lớp với hệ số thấm khác
nhau); Hệ số thấm theo các phƣơng khác nhau, thì việc lựa chọn các phần mềm thƣơng
mại để xác định các đặc trƣng dòng thấm bằng các phần mềm thƣơng mại là đúng đắn.
Hiện nay, các phần mềm nhƣ Seep/W – Geoslope, Midas GTS, Plaxis, Flax,
Abaqus, v.v… đều có thể sử dụng để xác định các đặc trƣng dòng thấm trong đập đất.
Tuy nhiên, sử dụng phần mềm nào là do ngƣời sử dụng lựa chọn dựa trên công cụ có
sẵn (bản quyền), mục đích giải quyết (bài toán phẳng, bài toán không gian), thói quen
(kỹ năng) sử dụng, v.v…
Trong một công trình nghiên cứu [17], tác giả đã sử dụng phƣơng pháp giải tích
(thủy lực), phƣơng pháp mô hình số với 2 phần mềm thƣơng mại (Seep/W của Geoslope
của Canada và Midas GST của Hàn Quốc) để xác định đƣờng bão hòa cho một mặt cắt
đập 2 khối có điều kiện biên gần giống nhƣ trƣờng hợp nghiên cứu của luận án. Kết quả
tính toán đƣờng bão hoà của các trƣờng hợp tính toán đƣợc trình bày trên Hình 2-1.
36
a) Đập đồng chất + khối áp trúc hạ lƣu có hệ số thấm lớn hơn của đập cũ (KB-1)
b) Đập đồng chất + khối áp trúc hạ lƣu có hệ số thấm bằng đập cũ (KB2-2)
c) Đập có khối thoát nƣớc ống khói (KB3)
d) Đập có khối thoát nƣớc lăng trụ (KB4)
Hình 2-1 Kết quả tính toán đƣờng bão hòa của các trƣờng hợp khác nhau [17]
Hình 2-2 So sánh đƣờng bão hòa tính bằng phần mềm Seep/W và Midas GTS [17]
37
So sánh đƣờng bão hòa tính bằng phần mềm Seep/W và Midas GTS cho các
trƣờng hợp tính toán đƣợc thể hiện cụ thể trên Hình 2-2.
Nhận xét kết quả tính toán của phƣơng pháp thủy lực và phƣơng pháp phần tử hữu
hạn (Seep/W – Geoslope và Midas GTS):
Trong trƣờng hợp thân đập đồng chất (Hình 2-1a), đƣờng bão hòa xác định theo
các phƣơng pháp giải tích và mô hình số cho kết quả tƣơng đồng.
Trong trƣờng hợp thân đập không đồng chất (Hình 2-1b), hệ số thấm của vật liệu
đắp áp trúc khác với hệ số thấm của đập cũ, ta thấy kết quả tính bằng hai phần
mềm là xấp xỉ nhau, nhƣng sai khác rất nhiều so với kết quả tính bằng phƣơng
pháp thủy lực.
Khi trong đập có đặt vật thoát nƣớc (Hình 2-1c, d), với giả thiết đƣờng bão hòa
đổ vào chân vật thoát nƣớc nên kết quả tính đƣờng bão hòa cũng khá tƣơng
đồng. Có hiện tƣợng này là do giả thiết đƣờng bão hòa đổ vào chân vật thoát
nƣớc còn mang tính áp đặt. Đây là một vấn đề sẽ đƣợc làm rõ hơn trong luận án
qua thí nghiệm hiện trƣờng trình bày trong Chƣơng 3.
2.3 Lựa chọn phần mềm để tính thấm và kiểm tra an toàn về thấm
2.3.1 Giới thiệu phần mềm Seep/W
Bộ phần mềm Geoslope đƣợc sản xuất bởi Geoslope International Ltd. (Canada),
đƣợc sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực Xây dựng, Giao thông, Thủy lợi, v.v... Trong đó,
Seep/W là một phần dùng để phân tích bài toán thấm. Seep/W là phần mềm đƣợc thiết
lập sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn dùng để mô hình hoá các bài toán thấm trong
các môi trƣờng rỗng xốp nhƣ đất. Khi đó mặt cắt ngang của đập sẽ đƣợc rời rạc hoá
thành các phần tử tam giác hay tứ giác. Các đƣờng chia tách các phần tử cắt nhau tại các
điểm nút. Cột nƣớc thuỷ lực tại mỗi điểm nút nhận đƣợc bằng cách giải phƣơng trình
chi phối dòng thấm và áp dụng các điều kiện biên [32].
Modul Seep/W của phần mềm Geoslope sử dụng hàm thấm thể hiện mối quan hệ
giữa hệ số thấm, áp lực nƣớc lỗ rỗng, lƣợng chứa nƣớc thể tích. Mô hình hoá dòng thấm
trong cả môi trƣờng bão hoà và không bão hoà.
Tuy nhiên, modul Seep/W chỉ tính đƣợc các đặc trƣng dòng thấm (đƣờng bão hòa,
38
gradient tại các điểm trong miền thấm, áp lực nƣớc lỗ rỗng, v.v…). Muốn tính ổn định
tổng thể phải link kết quả tính toán thấm sang modul Slope/W trong bộ phần mềm
Geoslope, giả thiết cung trƣợt và tính ổn định của khối trƣợt tìm ra Kminmin. Trong
trƣờng hợp muốn xét ổn định tổng thể và cục bộ của mái dốc (chẳng hạn nhƣ mái đào
cục bộ ở chân để lắp đặt nêm cát) thì phải sử dụng thêm modul Sigma/W. Việc sử dụng
Sigma/W để tính ổn định (về ứng suất biến dạng, về gradient xói ngầm) trong bài toán
đào rãnh để thi công nêm cát đòi hỏi phải sử dụng bài toán 3D. Đây là một công việc
đòi hỏi ngƣời sử dụng phải rất thành thạo và mất khá nhiều thời gian.
2.3.2 Giới thiệu phần mềm Midas GTS
Phần mềm Midas GTS là một hệ thống phần mềm Địa kỹ thuật và Kết cấu đƣờng
hầm. Midas GTS đƣợc phát triển dựa trên kinh nghiệm về phân tích phần tử hữu hạn và
công nghệ đồ hoạ đƣợc Midas IT tích luỹ liên tục từ năm 1989. Midas GTS giúp các kỹ
sƣ có thể xây dựng đƣợc một cách trực quan các Mô hình Địa kỹ thuật phức tạp. Đặc
biệt với bài toán đào rãnh chân đập khi đập đang tích nƣớc.
Các công thức phần tử hữu hạn cho phần tử phẳng đƣợc sử dụng trong phân tích
thấm về cơ bản là giống nhƣ công thức biến dạng phẳng. Sự khác biệt là phần tử phẳng
trong phân tích thấm là sử dụng nút cột nƣớc đại diện cho dòng chảy, trong khi biến
dạng phẳng sử dụng nút chuyển vị theo chiều dọc và chiều ngang [37].
2.3.2.1 Phương trình tính toán thấm
Phần mềm Midas GTS dựa vào định luật Darcy để xây dựng và phát triển các
thuật toán liên quan đến các hàm thấm. Trong phân tích thấm phân thành hai loại là
phân tích ổn định thấm và phân tích thấm theo thời gian. Định luật Darcy nghiên cứu
thấm đất trong trạng thái bão hòa, nhƣng có thể đƣợc mở rộng và áp dụng cho dòng
chảy trong đất không bão hòa. Sự khác biệt của đất không bão hòa là hệ số thấm không
phải là một hằng số, dòng chảy thay đổi theo hàm lƣợng thể tích nƣớc và gián tiếp thay
đổi theo sự thay đổi của áp lực nƣớc lỗ rỗng (hoặc cột nƣớc áp lực). Công thức Darcy
nhƣ sau:
v = kj (2-1)
39
trong đó:
v : Lƣu tốc thấm Darcy, (m/s);
k : Hệ số thấm của đất, (m/s);
j : Gradien thủy lực.
Khi dòng thấm chảy qua tầng thấm hoặc lỗ rỗng của đất, lƣu tốc trung bình của
dòng thấm có thể tính đƣợc thông qua độ rỗng của đất. Độ rỗng của đất nhỏ hơn 1 nên
lƣu tốc trung bình thực tế luôn luôn lớn hơn lƣu tốc Darcy. Phƣơng trình vi phân cơ bản
của dòng thấm là:
(2-2)
trong đó:
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 tích trên một đơn vị thời gian, (m3/s);
: Độ ẩm thể tích, (m3/s);
t : Thời gian, (s).
Phƣơng trình vi phân trên thể hiện phƣơng trình dòng thấm thay đổi theo thời gian.
Ta thấy lƣu lƣợng của dòng chảy vào và thoát ra trong một đơn vị thể tích vô cùng nhỏ
vì vậy coi dòng chảy trong trạng thái ổn định, vế phải của phƣơng trình (2-2) bằng
không.
(2-3)
Trạng thái ứng suất ở điều kiện bão hòa và không bão hòa biến thiên theo hai giá
trị ( - pa) và (pa – pw), trong đó là ứng suất tổng, pa áp lực khí lỗ rỗng, pw áp lực nƣớc
40
lỗ rỗng. Ta thấy rằng áp lực khí lỗ rỗng không đổi dƣới áp suất khí quyển do đó ( - pa)
là hằng số (không có hiện tƣợng tăng tải và dỡ tải). Mọi thay đổi độ ẩm thể tích nƣớc
chỉ phụ thuộc vào sự thay đổi trong trạng thái ứng suất (pa – pw). Khi pa là không đổi thì
sự thay đổi hàm lƣợng thể tích nƣớc phụ thuộc vào sự thay đổi của áp lực nƣớc lỗ rỗng.
Mối quan hệ có thể đƣợc thể hiện nhƣ sau:
(2-4)
trong đó:
mw : Độ dốc của đƣờng cong hàm lƣợng nƣớc, (1/m);
uw : Cột nƣớc áp lực, (m).
Ngoài ra, cột nƣớc tổng đƣợc xác định nhƣ công thức (2-5):
(2-5)
trong đó:
H : Cột nƣớc tổng, (m);
pw : Áp lực nƣớc lỗ rỗng, (kN/m2);
w : Khối lƣợng riêng của nƣớc, (kN/m3);
y : Cao trình mặt nƣớc, (m).
Lúc này ta có:
(2-6)
Thay công thức (2-6) vào công thức (2-4) ta đƣợc.
(2-7)
Thay công thức (2-7) vào công thức (2-2) ta đƣợc.
(2-8)
Nếu cao trình mặt là hằng số thì đạo hàm của y đối với thời gian đƣợc loại bỏ.
41
Lƣợng chứa nƣớc thể tích có thể đƣợc định nghĩa là tỷ số giữa thể tích nƣớc so với
tổng thể tích, đƣợc viết lại nhƣ một hàm của độ bão hòa và độ rỗng hiệu dụng.
(2-9)
trong đó:
Sw : Độ bão hòa;
n : Độ rỗng hiệu dụng;
Vv : Thể tích không khí.
Viết lại vế phải phƣơng trình đạo hàm theo cột nƣớc H.
(2-10)
Ta có:
(2-11)
Thành phần thứ nhất trong vế phải của phƣơng trình (2-11) cho thấy sự thay đổi
trong lỗ rỗng là do sự thay đổi của cột nƣớc trong đất bão hòa và dòng chảy vào/ra gây
ra. Những thay đổi này không đƣợc xem xét cho trạng thái không bão hòa. Do đó, chỉ
những trạng thái bão hòa mới đƣợc xét Sw = 1, chúng đƣợc viết lại nhƣ sau:
(2-12)
trong đó:
: Hệ số nén của tầng chứa nƣớc;
cw : Tính nén của nƣớc;
Ss : Lƣợng tích trữ nƣớc.
Thành phần thứ hai trong vế phải của phƣơng trình (2-11) đại diện cho sự thay đổi
mức độ bão hòa và cột nƣớc. Áp dụng phƣơng trình (2-9) cho kết quả.
(2-13)
42
Do đó, thay thế phƣơng (2-12) và (2-13) vào phƣơng trình (2-10) ta đƣợc:
(2-14)
trong đó:
: Hệ số lƣợng tích trữ nƣớc.
b) Phương pháp tính ổn định
Phƣơng pháp lựa chọn để tính toán ổn định tổng thể cho đập đất trong phần mềm
Địa kỹ thuật Midas GTS là phƣơng pháp chiết giảm , c. Nguyên lý tính toán là giảm
dần sức bền kháng cắt của vật liệu đắp đập đến điểm giả định xảy ra mất ổn định trƣợt.
Tỷ lệ chiết giảm sức kháng cắt tối đa tại thời điểm đó đƣợc coi là yếu tố an toàn tối
thiểu, xem công thức (2-15) [37].
Hình 2-3 Cơ chế chiết giảm , c
(2-15)
Hệ số an toàn chống trƣợt đƣợc xác định trên cơ sở của sự phá hoại cắt nhƣ sau:
trong đó:
: Sức kháng cắt của vật liệu, , (kN/m2);
(2-16)
(kN/m2). f : Sức kháng cắt của mặt trƣợt,
(2-17)
43
SRF là hệ số chiết giảm cƣờng độ, mà phụ thuộc vào số lần lặp để hội tụ và chỉ tiêu
không cân bằng đƣợc quy định bởi ngƣời sử dụng.
c) Sơ đồ khối tính đƣờng bão hòa thấm và ổn định khi có nêm cát
Hình 2-4 Sơ đồ tính toán đƣờng bão hoà và ổn định
a) Mô hình băng lọc b) Chia phần tử băng lọc c) Khả năng thu nƣớc của
băng lọc
Hình 2-5 Mô phỏng khả năng hút nƣớc của băng lọc
44
Thông qua việc phân tích thấm bằng phần mềm Seep/W – Geoslope và Midas GTS
trình bày ở mục 2.2.2 và phƣơng pháp tính toán của các phần mềm ở mục 2.3 ta thấy kết
quả tính toán thấm của hai phần mềm này khá tƣơng đồng nhau. Với ƣu điểm về việc
mặt đồ họa và để thuận tiện cho việc mô phỏng các băng lọc, đƣờng ống, nêm cát, rãnh
đào nêm, v.v... bằng mô hình 3D luận án đã lựa chọn phần mềm Midas để phân tích tính
toán ổn định và thấm cho đập đất.
2.4 Phân tích thấm đập đất bằng phần mềm Midas
2.4.1 Xác định vùng an toàn và vùng có nguy cơ mất an toàn về thấm
Để xác định đƣợc các vùng này cần tìm ra đƣờng bão hòa giới hạn trên và giới hạn
dƣới [18]. Tìm đƣờng giới hạn trên bằng cách cố định hệ số thấm của nền ứng với
đƣờng bão hòa nằm cao nhất, tiếp theo thay đổi hệ số thấm của thân đập sao cho ứng
với nó hệ ổn định Kminmin = [K]cp; Tìm đƣờng giới hạn dƣới bằng cách cố định hệ số
thấm của nền ứng với đƣờng bão hòa nằm thấp nhất, thay đổi hệ số thấm của thân đập
sao cho hệ ổn định Kminmin = 1.2x[K]cp.
Lấy ví dụ một đập đất có kích thƣớc mặt cắt đập nhƣ Hình 2-6, hệ số thấm của
thân và nền đập đƣợc thể hiện trong Bảng 2-1. Trong đó, xét 2 loại nền (hệ số thấm của nền bằng 1x10-8 m/s và 5x10-8 m/s), mỗi loại nền tính với 4 loại hệ số thấm của thân đập thay đổi (1x10-7 m/s, 5x10-7 m/s, 1x10-6 m/s và 5x10-6 m/s). Mực nƣớc thƣợng lƣu ở
MNDBT (cách đỉnh đập 1,5 m).
Hình 2-6 Sơ đồ tính toán ổn định khi đào rãnh để lắp nêm cát với đập H=15m
Các thông số về hệ số thấm của thân đập và nền đập của đập đƣợc dựa trên số liệu
khảo sát của 96 đập đất có chiều cao khác nhau trong dự án WB8. Luận án đã lựa chọn
45
đƣợc 64 đập đất có chiều cao dƣới 15 m để phân tích lựa chọn thông số tính toán.
Lựa chọn hệ số thấm thân đập: Những thân đập có hệ số thấm 10-6 m/s sẽ không
tổng hợp trong Hình 2-7, vì những đập có hệ số thấm này cần phải xử lý thấm [TCVN
8644: 2011], số lƣợng đập cần xử lý thấm chiếm 11%. Kết quả tổng hợp hệ số thấm
thân đập đƣợc thể hiện chi tiết trong Hình 2-7. Vì mục đích ban đầu của Luận án là sử
dụng hệ thống nêm cát thu lọc nƣớc thấm ở hạ lƣu đập đất cho đập đang bị thấm để hạ
thấp đƣờng bão hoà, nâng cao an toàn đập nên những đập này thƣờng có hệ số thấm
thân đập lớn. Căn cứ vào biểu đồ thống kê hệ số thấm (Hình 2-7), chia thành 4 vùng
khác nhau: Vùng A có hệ số thấm K 10-6 m/s (vùng không an toàn), đập cần phải xử
lý thấm, chiếm 11%; Vùng B có hệ số thấm 5x10-7 m/s K < 10-6 m/s (vùng cận an
toàn), chiếm 11%; Vùng C có hệ số thấm 1x10-7 m/s K < 5x10-7 m/s (vùng an toàn), chiếm 27%; Vùng D có hệ số thấm K < 1x10-7 m/s (vùng an toàn cao), chiếm 52%. Luận án đã lựa chọn 4 giá trị để tính toán với hệ số thấm của thân đập thay đổi (1x10-7 m/s, 5x10-7 m/s, 1x10-6 m/s và 5x10-6 m/s).
Hình 2-7 Biểu đồ thống kê hệ số thấm thân đập với chiều cao đập dƣới 15 m
Lựa chọn hệ số thấm nền đập: Hệ số thấm của nền đập đƣợc lựa chọn trên nguyên
tắc ít ảnh hƣởng đến đƣờng bão hoà tính toán trong thân đập. Dựa trên kết quả thống kê của 64 đập có chiều cao dƣới 15 m thì có đến 35 đập có hệ số thấm nhỏ hơn 10-7 m/s
chiếm 55%. Trong 35 đập có hệ số thấm từ 1x10-8 m/s K < 5x10-8 m/s chiếm đến 49%, Hình 2-8. Vì vậy, luận án đã lựa chọn hệ số thấm của nền lần lƣợt là 1x10-8 m/s và 5x10- 8 m/s. Hệ số thấm thân và nền đập đƣợc lựa chọn tính toán thể hiện trong Bảng 2-1.
46
Hình 2-8 Biểu đồ thống kê hệ số thấm nền đập với chiều cao đập dƣới 15 m
Bảng 2-1 Hệ số thấm của thân và nền đập trong các trƣờng hợp tính toán [29]
Trƣờng hợp Trƣờng hợp Kđ (m/s) Kn (m/s) Kđ (m/s) Kn (m/s)
TH1 1x10-7 TH5 1x10-7
TH2 5x10-7 TH6 5x10-7
1x10-8 5x10-8
TH3 1x10-6 TH7 1x10-6
TH4 5x10-6 TH8 5x10-6
Các chỉ tiêu cơ lý: Luận án thống kê 64 đập đất có chiều cao dƣới 15 m cho kết quả các chỉ tiêu cơ lý trung bình nhƣ sau: w = 18.50 kN/m3, = 17.79 độ, c = 22.34 kN/m2. Theo nghiên cứu của Nguyễn Thị Ngọc Hƣơng, Trịnh Minh Thụ “Xác định
cường độ chống cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm cắt trực tiếp“ thấy rằng góc
ma sát của đất gần nhƣ không đổi khi chuyển từ trạng thái bão hoà về trạng thái tự
nhiên, lực dính thì tăng lên đáng kể [30]. Theo nghiên cứu của Nguyễn Thị Thanh
Nhàn, Nguyễn Thanh “Tính chất cơ lý đất đá và ảnh hưởng của chúng đến các quá
trình dịch chuyển đất đá trên sườn dốc, mái dốc vùng đồi núi Quảng Trị - Thừa Thiên
Huế “ thấy rằng góc ma sát của đất giảm đi khoảng 2 đến 5 độ từ trạng thái tự nhiên sang trạng thái bão hoà, lực dính giảm từ 2 đến 7 kN/m2 [31]. Qua kết quả thống kê luận
án đã lựa chọn đƣợc thông số đầu vào cho mô hình tính toán của mình nhƣ Bảng 2-3,
chi tiết xem Phụ lục 3.
Sử dụng phần mềm Midas vẽ đƣờng bão hòa cho 8 trƣờng hợp tính toán và xác định
47
đƣợc chiều cao điểm ra của đƣờng bão hòa a0 trình bày trong Bảng 2-2.
Bảng 2-2 Kết quả tính chiều cao điểm ra của đƣờng bão hòa a0
Trƣờng hợp TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 TH6 TH7 TH8
7,02 7,80 7,91 7,99 6,69 7,64 7,73 7,81 a0, (m)
Sau khi tính toán đƣờng bão hoà cho các trƣờng hợp thì thấy trƣờng hợp TH4 có a0 lớn nhất, hệ số thấm tƣơng ứng là Kđ = 5x10-7 m/s; Kn = 1x10-8 m/s. Tìm đƣờng giới hạn trên bằng cách cố định hệ số thấm của nền ứng với Kn = 1x10-8 m/s, thay đổi hệ số
thấm của thân đập sao cho hệ ổn định Kminmin = [K]cp = 1.30 (TCVN 8216: 2009). Kết quả tính toán tìm ra đƣờng giới hạn trên là Kđ = 5x10-7 m/s; Kn = 1x10-8 m/s a0 = 7.80 m,
Kminmin = [K] = 1.30 (TCVN 8216: 2009) [22]. Tƣơng tự vậy ta tìm đƣợc đƣờng bão hòa giới hạn dƣới ứng với Kđ = 1x10-9 m/s; Kn = 1x10-8 m/s; a0 = 1.85 m, Kminmin = [K] =
1.2x1.30 = 1.56. Kết quả tính toán đƣờng bão hòa đƣợc thể hiện trong Hình 2-9.
Hình 2-9 Đƣờng bão hòa trong thân đập của các trƣờng hợp tính toán
Xem xét các đƣờng bão hòa trên Hình 2-9 cho ta thấy TH4, TH3, TH8 nằm trên
đƣờng bão hòa giới hạn trên, trong đó đƣờng bão hòa TH4 là nằm cao nhất.
Kết luận: Đập có kích thƣớc nhƣ Hình 2-6, hệ số thấm Kđ = 5x10-6 m/s và Kđ = 1x10-8
m/s (TH4) đƣợc xem nhƣ mất an toàn về thấm do điểm ra của đƣờng bão hòa nằm cao
48
quá mức trên mái hạ lƣu, cần phải xử lý bằng cách lắp đặt nêm cát.
2.4.2 Xét ổn định khi thi công đào rãnh lắp đặt nêm cát
2.4.2.1 Xét ổn định khi đào rãnh đơn
Xét một đập có chiều cao 15 m đang tích nƣớc, mặt cắt nhƣ Hình 2-6, chỉ tiêu vật liệu (nền đập, thân đập và cả nêm cát) nhƣ trong Bảng 2-3 (hệ số thấm Kđ = 5x10-6 m/s và 1x10-8 m/s (TH4). Cần đào các rãnh để lắp đặt nêm cát.
Bảng 2-3 Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu trong tính toán [29]
K Vật liệu c (kN/m2) (m/s) E (kN/m2) w (kN/m3) (độ)
Thân đập 18,8 18,0 16,0 5,0x10-6 0,31 10000
Nền đập 19,0 20,0 18,0 1,0x10-8 0,3 12000
Lõi cát 16,5 30,0 0,0 1,0x10-4 0,3 30000
Ghi chú: w là khối lượng thể tích tự nhiên, là góc ma sát trong, c là lực dính, K hệ số thấm
của thân đập, là hệ số poisson, E là mô đun đàn hồi.
Băng khía rãnh 1,5x10-3
Nếu đào rãnh trên một đoạn liên tục thì thuận lợi cho việc lắp đặt, tuy nhiên khi
khoang đào mở lớn nhƣ vậy có nguy cơ mất an toàn đập. Bài toán ở đây là tìm đƣợc
chiều rộng khoang đào rãnh đơn (chỉ một rãnh trên suốt chiều dài bị thấm nhƣ Hình
2-10) giới hạn để đảm bảo an toàn. Chiều rộng khoang đào giả thiết từ 20 m, 10 m, 5 m
đến 1 m. So sánh với trƣờng hợp chƣa đào để tìm ra khoảng cách hợp lý.
Hình 2-10 Sơ đồ đào rãnh với chiều rộng khoang đào khác nhau (Kịch bản A)
Kết quả tính toán trên phần mềm Midas GTS cho thấy bức tranh dòng thấm nhƣ
Hình 2-11, xem chi tiết trong Phụ lục 5.
Nhận xét: Phần mềm Midas 3D tự động phân tích trạng thái ứng suất biến dạng bằng
49
phƣơng pháp chiết giảm , c. Nguyên lý là giảm dần sức bền kháng cắt của vật liệu đắp
đập đến điểm giả thiết mất ổn định. Phần mềm tự động dừng chạy khi đạt trạng thái an
b) Chiều rộng rãnh: W= 20 m
a) Chƣa đào rãnh
d) Chiều rộng rãnh W= 5 m
c) Chiều rộng rãnh: W= 10 m
Chiều rộng rãnh W= 1 m
toàn tối thiểu.
Hình 2-11 Bức tranh dòng thấm ra mái hạ lƣu
Kết quả tính toán cho thấy khi chƣa đào đập, hệ số ổn định KTH1 = 1,28 <
[K]cp=1,30; gradient thấm JTH1 = 0,81> [J]cp = 0,80, hình thức phá hoại kiểu cung tròn,
Hình 2-11a. Trƣờng hợp rãnh đào rộng 20 m xuất hiện hình thức phá hoại cục bộ tại
vách hố đào, KTH2 = 1,23; JTH2 = 0,99, Hình 2-11b. Khi chiều rộng rãnh đào hẹp dần từ
50
10 m, 5 m đến 1 m thì hình thức phá hoại chuyển dần từ mất ổn định cục bộ tại vách đào
sang hình thức trƣợt tổng thể, hệ số ổn định tăng lên và gradient thấm giảm dần Bảng
2-3.
Lý giải hệ số ổn định K và giá trị Gradient J thay đổi không theo quy luật trên nhƣ
sau: Khi đào rãnh rộng đến 20 m làm tăng diện tích thoát nƣớc điểm ra, đƣờng bão hòa
hạ thấp dẫn đến hệ số ổn định tổng thể tăng. Tuy nhiên giá trị gradient thấm lớn nhất
xuất hiện trên vách hố đào gây sạt lở mái đào. Điều này thấy rõ khi mô phỏng bằng
phần mềm Midas GTS, cũng nhƣ khi thi công trên thực tế (sẽ trình bày trong Chƣơng
3). Kết quả tính toán cho thấy mặt mạnh của phần mềm Midas GTS so với các phần
1.4
1
1.35
0.95
[K]=1.30
)
1.3
0.9
) J (
K
(
1.25
0.85
h n ị đ
[J]=0.85
K
1.2
0.8
n ổ
J
1.15
0.75
m ấ h t t n e i d a r G
ố s ệ H
1.1
0.7
1.05
0.65
1
0.6
TH1
Th2-20
TH3-10
TH4-5
TH5-1
Trƣờng hợp tính toán
mềm khác.
Hình 2-12 Quy luật thay đổi K và J khi đào theo kịch bản A
Bảng 2-4 Hệ số ổn định và gradient thấm khi đào rãnh 20 m, ..., 1 m
Trƣờng hợp tính TH1 TH2 TH3 TH4 TH5
W=20m W=10m W=5m W=1m Chiều rộng khoang đào Không đào
Hệ số ổn định, K 1,28 1,23 1,26 1,31 1,34
Gradient thấm, J 0,81 0,99 0,96 0,85 0,83
Qua phân tích ổn định và gradient thấm cho các chiều rộng đào khác nhau thì thấy
51
rằng chiều rộng đào nên nhỏ hơn 5 m là hợp lý. Kết quả tính toán đƣợc tổng hợp trong
Bảng 2-4 và biểu diễn trên Hình 2-12.
Từ kết quả tính toán có thể kết luận: Chiều rộng rãnh đào (W) không nên vƣợt quá
5 m để đảm bảo an toàn (W<5 m). Tuy nhiên, xuất phát thực tiễn tác giả đề xuất chiều
rộng nêm cát chỉ làm 1 m (W=1 m) để phù hợp với chiều rộng gầu máy đào.
2.4.2.2 Ổn định khi đào nhiều rãnh
Trong phần trên đã kiến nghị chiều rộng rãnh đào W=1 m để phù hợp với thực tế
thi công. Tuy nhiên, nếu chỉ làm rãnh nào lấp lại mới đƣợc đào rãnh bên cạnh thì thi
công chậm. Trong mục này, xét đào 5 rãnh W=1 m cùng lúc, so sánh với rãnh W=2 m.
Kịch bản đào nhƣ Hình 2-13. Lựa chọn 5 nêm cát với mục đích hạn chế dòng thấm
ngang thân đập ảnh hƣởng làm ảnh hƣởng đến độ chính xác độ vồng của đƣờng bão hòa
giữa các nêm cát, hệ số ổn định khi đào rãnh đặt nêm, hiệu quả hạ thấp đƣờng bão hòa.
Hình 2-13 Trƣờng hợp đào nhiều rãnh cùng lúc (Kịch bản B và C)
Kết quả tính toán với kịch bản B (chiều rộng nêm cát là 1 m và khoảng cách đào
lần lƣợt là 2 m, 3 m, 4 m, 5 m) trình bày ở Bảng 2-5.
Bảng 2-5 Hệ số ổn định khi đào với kịch bản B (chiều rộng nêm cát là 1 m)
Trƣờng hợp TH6 TH8 TH9 TH7
Khoảng cách rãnh L=2m L=4m L=5m L=3m
Hệ số ổn định, K 1,33 1,29 1,27 1,31
Gradient thấm, J 0,84 0,81 0,79 0,83
Kết quả tính toán với kịch bản C (chiều rộng nêm cát là 2 m và khoảng cách đào
lần lƣợt là 3 m, 4 m, 5 m) trình bày ở Bảng 2-6.
52
Nhận xét: Kết quả tính toán cho thấy với kịch bản B (W=1 m) thì để K > [K]=1,30
thì khoảng cách rãnh đào không nên dƣới 3,5 m (L>3,5 m); Với kịch bản C (W=2 m) thì
khoảng cách rãnh đào không nên dƣới 4,5 m.
Bảng 2-6 Hệ số ổn định khi đào với kịch bản C (chiều rộng nêm cát là 2 m)
Trƣờng hợp TH10 TH11 TH12
Khoảng cách rãnh L=3m L=4m L=5m
Hệ số ổn định, K 1,27 1,29 1,31
Gradient thấm, J 0,84 0,80 0,78
Tổng hợp Bảng 2-5 và Bảng 2-6 có đƣợc đồ thị Hình 2-14.
Hình 2-14 Quy luật thay đổi K và J khi đào theo kịch bản B và C
2.4.3 Ảnh hưởng của khoảng cách nêm cát đến hiệu quả hạ thấp đường bão hòa
Nhƣ trên đã phân tích, để thuận tiện trong thi công nêm cát chỉ nên đào với chiều
rộng W=1 m và khoảng cách L > 3,5 m (Kịch bản B). Nếu xét trên bài toán phẳng thì
chỉ tính đƣợc đƣờng bão hòa tại mặt cắt qua nêm cát. Nhƣng vì nêm cát đặt với khoảng
cách L>3,5 m nên đƣờng bão hòa giữa 2 nêm cát bị vồng lên, tƣơng tự nhƣ hiện tƣợng
hút nƣớc trong dãy giếng khoan. Nêm cát đặt càng gần, độ vồng càng nhỏ và ngƣợc lại.
Điều đó đặt ra vấn đề cần phải xem xét độ vồng nhƣ thế nào để nó không vƣợt ra khỏi
53
đƣờng bão hòa giới hạn trên [18].
Xét một đập có mặt cắt nhƣ Hình 2-15, chỉ tiêu tính toán nhƣ Bảng 2-3, nêm cát có
chiều rộng W=1 m; khoảng cách L = 3 m, 4 m, 5 m (Kịch bản D), Hình 2-16.
Hình 2-15 Mặt cắt đập có lắp đặt nêm cát
Hình 2-16 Trƣờng hợp tính toán với kịch bản D
2.4.3.1 Xét độ vồng của đường bão hòa
Cao độ đƣờng bão hòa cho mặt cắt dọc chân đập, tại vị trí đỉnh nêm cát sẽ có dạng
đƣờng cong hút nƣớc, đƣờng bão hòa bị hạ thấp tại vị trí nêm cát và vồng lên khi ra xa
Hình 2-17.
Giữa 2 nêm cát có độ vồng ký hiệu là:
f(3) = hII(3) - hI(3) khi khoảng cách nêm cát L= 3 m;
f(5) = hII(5) - hI(5) khi khoảng cách nêm cát L= 5 m;
hn(3), hn(5): chiều cao nêm cát tƣơng ứng với khoảng cách nêm L=3 m hay 5 m;
hI(3), hI(5): chiều cao tính từ đáy đập đến cao độ đƣờng bão hòa tại nêm cát
tƣơng ứng với khoảng cách nêm L=3 m hay 5 m;
hII(3), hII(5): chiều cao tính từ đáy đập đến cao độ đƣờng bão hòa tại khoảng giữa
54
2 nêm cát tƣơng ứng với khoảng cách nêm L=3 m hay 5 m;
hIII(3), hIII(5): chiều cao tính từ đáy đập đến cao độ đƣờng bão hòa tại các đoạn
không bị ảnh hƣởng của nêm cát (ngoài xa cùng xử lý), bản chất hIII(3) = hIII(5).
Hình 2-17 Sơ họa các kích thƣớc khi dòng thấm bị vồng lên do khoảng cách giữa
Khoảng cách nêm là 3m
Đƣờng bão hòa
Độ vồng
Nêm cát
Khoảng cách nêm là 4m
Đƣờng bão hòa
Nêm cát
Độ vồng
Khoảng cách nêm là 5m
Đƣờng bão hòa
Độ vồng
Nêm cát
các nêm cát. a) khoảng cách nêm là 3 m; b) khoảng cách nêm là 5 m
Hình 2-18 Kết quả trích xuất từ phần mềm Midas để thấy độ vồng
55
Bảng 2-7 Kết quả tính toán độ vồng của nêm cát với kịch bản D
L TT (m) hI (m) hIII (m) fII (m) fII/hI*100 (%) hII (m)
1 3 2,06 9,55 0,08 3,88 2,14
2 4 2,16 9,55 0,21 9,72 2,37
3 5 2,71 9,55 0,54 19,93 3,25
Nhận xét: Khi bố trí nêm ở khoảng cách 3 m cho kết quả là tốt nhất fII(3) = 0,08.
Khoảng cách bố trí nêm cát hợp lý ứng với trƣờng hợp (f/hn)*100 < 10% khi L ≤ 4 m.
a) Đánh giá an toàn của vị trí đƣờng bão hòa theo tiêu chí thấm [18]
Đƣờng bão hoà
Nêm cát
Hình 2-19 Đƣờng bão hoà sau khi có nêm cát và so sánh với tiêu chí an toàn
Sử dụng phần mềm Midas GTS tiếp tục tính và vẽ đƣờng bão hòa khi lắp đặt nêm
cát theo kịch bản D đƣợc trình bày trên Hình 2-19. So sánh với hình ảnh đƣờng bão hòa
trình bày trong Hình 2-19 (khi chƣa lắp đặt nêm cát) cho thấy sau khi lắp nêm cát,
đƣờng bão hòa hạ thấp và nằm vào vùng an toàn [18], xem chi tiết trong Phụ lục 5.
2.5 Kết luận Chƣơng 2
Sáng chế “Hệ thống nêm cát thu lọc nƣớc thấm ở hạ lƣu đập đất” đã đƣợc đề xuất
nhằm khắc phục tồn tại của kết cấu lọc và thoát nƣớc truyền thống dùng trong đập đất.
Tuy nhiên, cần phải có những nghiên cứu hiệu quả theo tiêu chí về thấm nhằm bảo đảm
an toàn đập.
56
Bằng phần mềm Midas GTS, luận án đã tính toán cho một đập đồng chất có chiều
cao H=15 m đang tích nƣớc. Xét cho kịch bản dòng thấm xuất hiện nằm cao trên mái hạ
lƣu, đƣờng bão hòa nằm trong vùng có nguy cơ mất an toàn [18]. Để xử lý, luận án đề
xuất áp dụng sáng chế nêm cát.
Để thi công nêm cát trong điều kiện hồ đang tích nƣớc, luận án đã sử dụng phần
mềm Midas GTS tính toán hệ số an toàn tổng thể, hệ số an toàn cục bộ, kiểm tra
gradient tại điểm ra khi đào rãnh có chiều rộng nêm (W) và khoảng cách nêm (L) khác
nhau, rút ra các kết luận:
Chiều rộng rãnh không nên vƣợt quá 5 m (W<5 m);
Kết hợp yếu tố thi công, chiều rộng rãnh chỉ nên làm 1 m (W=1 m) và chỉ nên
đào 3 rãnh một lúc, với khoảng cách giữa các rãnh không quá 4 m (L<4 m);
Xử lý bằng nêm cát với chiều rộng W=1 m và khoảng cách L=4 m sẽ làm cho
đƣờng bão hòa hạ thấp, nằm vào trong vùng an toàn cao theo tiêu chí thấm [18].
Phần mềm Midas GTS là một phần mềm mạnh trong việc mô phỏng bài toán thi
công lắp đặt nêm cát và phân tích bài toán thấm không gian. Điều này sẽ đƣợc tiếp tục
chứng minh trong Chƣơng tiếp theo, khi so sánh kết quả tính bằng phần mềm với kết
quả đo trên mô hình thực tế tại đập Đồng Bể (Thanh Hóa).
57
CHƢƠNG 3
NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA NÊM CÁT THU LỌC NƢỚC THẤM TẠI
ĐẬP ĐỒNG BỂ, TỈNH THANH HÓA
3.1 Đặt vấn đề
Trong Chƣơng 2, bằng phần mềm Midas GTS luận án đã chứng minh đƣợc hiệu
quả của nêm cát làm hạ thấp đƣờng bão hòa. Cụ thể, nêm cát làm cho đƣờng bão hòa từ
chỗ nằm cao trong vùng không an toàn, sau khi lắp đặt đƣờng bão hòa hạ thấp và nằm
vào vùng an toàn cao theo tiêu chí thấm. Bằng phần mềm cũng đã vẽ đƣợc bức tranh
không gian về dòng thấm khi đổ vào nêm cát, tính đƣợc lƣu lƣợng đổ vào mỗi nêm cát.
Tuy nhiên, việc khai báo băng khía rãnh nhƣ một loại vật liệu có hệ số thấm K = 1,5x10-3 m/s cũng chỉ theo kinh nghiệm của ngƣời tính, chƣa đƣợc kiểm chứng, điểm
vào của dòng thấm sau lƣng nêm cát ở đâu cũng chỉ là do ngƣời tính áp đặt chủ quan.
Đặc biệt, chất lƣợng lọc của nêm cát, khả năng hút nƣớc của nêm cát và hoạt động của
nêm cát có đƣợc ổn định lâu dài hay không thì không thể tính bằng phần mềm đƣợc.
Vì kết cấu nêm cát lần đầu tiên đƣợc đề xuất, chƣa đƣợc áp dụng trong thực tiễn
nên việc kiểm chứng trên mô hình là cần thiết. Tuy nhiên, trong Chƣơng 2 đã đề cập
việc thí nghiệm kết cấu nêm cát bằng mô hình tỷ lệ nhỏ là không đáp ứng yêu cầu vừa
mô phỏng đƣợc dòng thấm trong đập, vừa mô phỏng cục bộ kết cấu nêm cát. Thí
nghiệm trên mô hình thực tế là sự lựa chọn duy nhất và đúng đắn.
Hồ Đồng Bể (tỉnh Thanh Hóa) đã đƣợc lựa chọn để lắp đặt nêm cát và thí nghiệm
đánh giá hiệu quả của nêm cát, vì:
Đập đất đồng chất, thuộc loại đập vừa (chiều cao H = 10.5 m) thuộc đối tƣợng
nghiên cứu của luận án;
Có hiện tƣợng thấm lớn ở mái hạ lƣu (a0 = 6 m, cao độ +37,05), đã xử lý nhƣng
không đạt yêu cầu.
Đƣợc chủ đập đồng ý và tạo điều kiện thi công lắp đặt nêm cát ngay cả khi đập
đang tích nƣớc.
58
3.2 Hiện trạng thấm qua đập đất hồ Đồng Bể
3.2.1 Giới thiệu công trình
3.2.1.1 Giới thiệu chung
Hồ chứa nƣớc Đồng Bể nằm ở xã Triệu Thành, huyện Triệu Sơn, tỉnh Thanh Hóa.
Đập đƣợc xây dựng năm 1989 hoàn thành năm 1991. Đập có chiều dài khoảng 715 m,
thân đập đƣợc đắp bằng đất lấy tại chỗ trong khu vực lòng hồ. Toàn cảnh đập nhƣ Hình
3-1. Một số thông số chính của công trình đƣợc thể hiện trong Bảng 3-1 [2].
Hình 3-1 Vị trí hồ Đồng Bể - Thanh Hóa (nguồn google Map)
3.2.1.2 Điều kiện địa chất
Năm 2015, để lập dự án xử lý thấm đập, đơn vị tƣ vấn đã khoan 3 hố khoan trên
đỉnh đập sâu 25,0 m. Mô tả cấu trúc địa chất hố khoan nhƣ sau [2]:
Lớp 1: Lớp đất đắp đập dạng sét pha lẫn nhiều sạn sỏi màu nâu đỏ, nâu vàng,
trạng thái cứng, chiều dày từ 5,1 m đến 6,8 m. Thành phần sét pha lẫn nhiều sạn sỏi, có
chỗ lẫn dăm, cuội màu nâu đỏ, nâu vàng, trạng thái cứng. Kết quả thí nghiệm đổ nƣớc
cho thấy lớp đất có tính thấm nƣớc trung bình.
Lớp 2: Sét pha lẫn sạn sỏi màu nâu vàng, nâu xám, trạng thái dẻo cứng. Phân bố
trên toàn bộ khu vực khảo sát, gặp trong tất cả các hố khoan. Thành phần chủ yếu là sét
pha lẫn sạn sỏi màu nâu vàng, nâu xám, đôi chỗ lẫn nhiều sỏi sạn và cả cuội, trạng thái
dẻo cứng. Bề dày lớp biến đổi từ 5,4 m đến 6,8 m. Kết quả thí nghiệm đổ nƣớc cho thấy
lớp đất này có tính thấm nƣớc trung bình.
59
Bảng 3-1 Thông số hiện trạng công trình [2]
TT Thông số kỹ thuật Đơn vị Hiện trạng
Hồ chứa I
Công trình đầu mối 1 Cấp V
Diện tích lƣu vực 2 km2 9.4
Tần suất tính toán lũ lớn nhất 3 % 2.0
4 Mực nƣớc dâng bình thƣờng m +39.40
5 Mực nƣớc dâng gia cƣờng m +40.44
6 Mực nƣớc chết m +34.00
Dung tích hồ ứng với MNDBT 7 106m3 1.97
Dung tích hồ ứng với MNDGC 8 106m3 2.76
Dung tích hồ ứng với MNC 9 106m3 0.082
II Đập chính
Chiều dài đập 1 m 714.18
Cao trình đỉnh đập 2 m +41.50
Cao trình đỉnh tƣờng chắn sóng 3 m +41.90
Chiều rộng đỉnh đập 4 m 4.0
Chiều cao đập lớn nhất 5 m 10.5
Hệ số mái đập: Mái TL 6 2.75
Mái HL 7 2,5
Cao trình cơ hạ lƣu 8 m +38.00
Chiều rộng cơ hạ lƣu 9 m 4.0
10 Hình thức gia cố mái đập: TL Đá lát
HL trồng cỏ
11 Hình thức thoát nƣớc mái Rãnh
60
Lớp 3: Dăm cuội sỏi lẫn sét pha màu xám trắng, nâu xám, xám xanh, kết cấu chặt
vừa đến chặt. Lớp này nằm dƣới lớp 1 và 2, phân bố chủ yếu ở khu vực giữa đập đặc
biệt tại vị trí lòng khe cũ (HK2, HK3). Bề dày lớp biến đổi từ 1,2 m đến 3,1 m. Tại hố
khoan HK3 trong phạm khảo sát đến 15,0 m chƣa khoan hết chiều dày lớp. Thành phần
chủ yếu là sét pha lẫn sạn sỏi, dăm cuội, màu xám trắng, nâu xám, xám xanh. Kết cấu
chặt - rất chặt. Có hiện tƣợng mất nƣớc trong quá trình khoan.
Lớp 4: Sét bột kết phong hoá mạnh - vừa, màu xám trắng, nâu tím, xám xanh, cấu
tạo phân lớp. Nứt nẻ mạnh, khe nứt hở bị oxi hoá. Lớp này nằm dƣới lớp 2 và 3, độ sâu
nóc lớp biến đổi từ 12,2 m đến 13,7 m. Lớp này phong hoá không đều, thƣờng có dạng
các đoạn phong hoá mạnh, xen kẹp các đoạn phong hoá rất mạnh gần thành đất, có chỗ
thành sét, sét pha dẻo cứng, nõn khoan lấy lên ngắn, dạng dăm mảnh là chủ yếu, ít khi
có đoạn dài đến 10 cm. Đá tƣơng đối mềm có thể bẻ đƣợc bằng tay. Đá nứt nẻ mạnh,
khe nứt bị oxi hóa mạnh.
3.2.1.3 Điều kiện địa chất thủy văn:
Địa chất thuỷ văn vùng công trình đƣợc đặc trƣng bởi các tầng nƣớc đƣợc chứa
trong lỗ rỗng của đất đá trầm tích sông - biển và trong khe nứt của đá gốc.
3.2.2 Mô tả hiện trạng thấm
Đập đƣợc xây dựng năm 1989 hoàn thành năm 1991. Sau khi vận hành và khai
thác một thời gian thì xuất hiện thấm trên mái đập từ cao trình +36,00 m trở xuống chân
đập với lƣu lƣợng thấm khá lớn, gây sình lầy chân mái hạ lƣu đập.
Năm 2003 đơn vị quản lý hồ đã xử lý bằng cách đắp áp trúc hạ lƣu tạo thành cơ ở
cao trình +38,00 theo thiết kế (cao trình thực tế của cơ tại vị trí lắp đặt nêm cát là +37.01). Khối áp trúc hạ lƣu bằng đất có hệ số thấm (K = 1,0x10-7 m/s) còn nhỏ hơn hệ số thấm của đập cũ (K = 2,0x10-6 m/s). Phía chân của khối áp trúc có lăng trụ thoát
nƣớc.
Chính vì xử lý chƣa đúng nguyên nhân nên không cải thiện đƣợc hiện tƣợng thấm.
Chỉ sau một thời gian, dòng thấm xuất hiện tại vị trí cao hơn cơ hạ lƣu. Hiện trạng thấm
đƣợc mô tả ở Hình 3-3, và Hình 3-4.
61
Hình 3-2 Mặt cắt đập Đồng Bể sau khi đắp thêm khối áp trúc (năm 2003) [2]
Vị trí số 1 cách vai trái đập khoảng 55 m chiều dài thấm khoảng 36 m theo dọc
đập; Vị trí số 2 cách vị trí 1 khoảng 57 m có chiều dài 40 m. Vị trí số 3 cách vị trí số 2
khoảng 40 m, có chiều dài 130 m. Vị trí số 4 cách vị trí số 3 khoảng 87 m có chiều dài
thấm khoảng 130 m, Hình 3-4.
Hình 3-3 Mặt bằng các vị trí xuất hiện thấm
Đoạn thấm nhiều nằm ở vị trí số 2, nằm gần vai phải của đập là vị trí sẽ lắp đặt
nêm cát. Vị trí này sau khi đƣợc xử lý bằng đắp áp trúc và lăng trụ hạ lƣu, dòng thấm
không thấy xuất hiện ở lăng trụ thoát nƣớc mà lại xuất hiện ở trên cơ. Hiện nay dòng
thấm trên cơ đập đã đƣợc xử lý tạm bằng cách làm tầng lọc áp mái hạ lƣu và rãnh thu
nƣớc trên cơ, việc xử lý này sẽ không không giải quyết đƣợc vấn đề thấm của đập, về
lâu dài sẽ ảnh hƣởng đến an toàn đập (Hình 3-4b) [29].
Hiện tƣợng xử lý thấm bằng cách đắp áp trúc hạ lƣu bằng đất có hệ số thấm nhỏ
(nhỏ hơn cả đất đắp đập) là một sai lầm không chỉ diễn ra ở đập Đồng Bể mà còn ở một
62
số đập khác nhƣ đã đƣợc trình bày tại mục 1.3 (Chƣơng 1). Sai lầm ở chỗ xử lý thấm
bằng biện pháp đắp áp trúc mái hạ lƣu nhƣng không có biện pháp thoát nƣớc thấm hợp
lý, mà chỉ làm thêm thoát nƣớc áp mái hoặc lăng trụ ở khối áp trúc dẫn đến nƣớc thấm
bị ứ lại tại mặt tiếp xúc giữa đập cũ và khối áp trúc làm mới, đƣờng bão hòa dâng cao
trong thân đập.
a, Rãnh thu nƣớc đoạn không thấm b, Rãnh thu nƣớc đoạn bị thấm
Hình 3-4 Hiện tƣợng thấm trên cơ hạ lƣu, ví trí số 2 (ảnh chụp ngày 14/4/2016)
Để minh chứng cho nhận định trên, tác giả đã đào một hố thám sát ngay trên mặt cơ
ở cao trình +37,25, thì thấy rõ hiện tƣợng nƣớc ứ lại trong mặt tiếp xúc mà không chảy
về đống đá tiêu nƣớc (xem Hình 3-5).
Hình 3-5 Hố đào kiểm tra cho thấy nƣớc ứ lại ở vùng tiếp xúc giữa đập cũ và khối
áp trúc mà không chảy về đống đá tiêu nƣớc (ảnh chụp tháng 6/2016)
Để xử lý tình trạng thấm của đập Đồng Bể hiện nay có rất nhiều giải pháp nhƣ: (1)
Khoan phụt tạo màng chống thấm (khoan phụt thuần áp, nứt nẻ thủy lực, thẩm thấu, jet-
grouting, .v.v...) nhƣng khi áp dụng cần phải tính toán cẩn thận, khó kiểm soát tia vữa,
khó khống chế áp lực để không làm nứt đập, đặc biệt thi công khó khăn khi hồ đang tích
63
nƣớc; (2) Tƣờng nghiêng thƣợng lƣu cần phải hạ thấp mực nƣớc hồ; (3) tƣờng hào
chống thấm (tƣờng bentonite, cọc đất xi măng trộn sâu, cọc đất đầm nện, v.v...) tƣờng
dễ co ngót sau khi thi công xong nên dễ sinh ra nứt dọc thân đập, tùy thuộc vị trí và
phƣơng pháp thi công mà có thể yêu cầu tháo cạn hay phải giảm một phần mực nƣớc hồ
chứa; (4) thiết bị thoát nƣớc ống khói (đặt tại vị trí tiếp giáp giữa lớp đất áp trúc và thân
đập cũ) giải pháp này hoàn toàn có thể thu nƣớc thấm qua thân đập và dẫn ra hạ lƣu.
Tuy nhiên, việc lắp đặt kết cấu này cần phải đào phần áp trúc hạ lƣu, điều này sẽ gây
mất an toàn cho mái đập đặc biệt là trong thời gian hồ đang tích nƣớc. Qua phân tích ở
trên ta thấy giải pháp nêm cát có những ƣu điểm hơn so với các giải pháp khác đó là khi
thi công không phải hạ thấp mực nƣớc hồ, đào cách quãng thân đập với chiều rộng nhỏ
nên đảm bảo ổn định mái đập mà vẫn đảm bảo an toàn về thấm.
3.3 Thí nghiệm hiện trƣờng xác định hiệu quả của nêm cát
3.3.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm
Minh chứng kết quả hạ thấp đƣờng bão hòa trong thực tế đúng nhƣ kết quả mô
phỏng bằng phần mềm Midas GTS đã trình bày ở Chƣơng 2;
Làm rõ một số yếu tố không thể tính bằng phần mềm, nhƣ: điểm vào của đƣờng
bão hòa phía sau lƣng nêm cát, chất lƣợng lọc ổn định của nêm cát;
Rút kinh nghiệm trong quá trình thi công để đƣa ra quy trình thi công hợp lý.
3.3.2 Công tác chuẩn bị và thi công lắp đặt
3.3.2.1 Lựa chọn vị trí thí nghiệm
Vị trí thí nghiệm nằm trong phạm vi vùng thấm dự kiến là mạnh nhất (vị trí thấm
số 2, Hình 3-4). Tại đây quan sát thấy nƣớc thấm xuất hiện cao hơn cơ hạ lƣu và chảy
vào rãnh thu nƣớc, tuy nhiên không thấy xuất hiện nƣớc thấm chảy ra ở đống đá tiêu
nƣớc dƣới chân. Việc lựa chọn ví trí phải đƣợc chủ đập đồng ý.
3.3.2.2 Bố trí chung khu vực thí nghiệm
Trong Chƣơng 2 tác giả đã xây dựng mô hình tính toán với 5 nêm cát để xác định
khả năng hút nƣớc của nêm cát. Nhƣng kết quả tính toán thấy rằng độ vồng giữa hai
nêm cát trong trƣờng hợp 5 nêm cũng không chênh lệch nhiều so với trƣờng hợp 3 nêm.
64
Chính vì lý do này tác giả quyết định chỉ làm 3 nêm cát để giảm đƣợc chi phí xây dựng
mô hình. Mục đích của việc bố trí nêm cát là xử lý đƣợc dòng thấm thấm ra mái hạ lƣu.
Vì vậy, đỉnh nêm cát cần phải cao hơn điểm ra của đƣờng bão hoà và phải đảm bảo việc
nêm thu đƣợc hoàn toàn dòng thấm. Trình tự xác định vị trí bố trí nêm cát trong thân
đập đƣợc thực hiện theo các bƣớc nhƣ sau: (1) Tính toán đƣờng bão hòa cho đập hiện
trạng; (2) Xác định điểm giao A giữa mái hạ lƣu đập và đƣờng thẳng đi qua điểm cách
MNDBT một khoảng H/2 (H là cột nƣớc thƣợng lƣu ứng với MNDBT); (3) Điểm B là
điểm giao giữa đƣờng thẳng đi qua điểm A, có độ dốc bằng mái của nêm cát (m = 0,5;
1.0) với đƣờng bão hòa thân đập (bƣớc 1); (4) Đỉnh nêm cát đƣợc xác định từ điểm B
lên khoảng 0.5 đến 1.0 m; (5) Chiều dày tối thiểu của nêm cát là 1 m.
Chú ý: Khi lựa chọn vị trí nêm cát cần chú ý khoảng các từ đỉnh nêm cát đến mái hạ
lƣu đập cần phải đảm bảo chiều dày đất phủ từ 0.5 đến 1.0 m.
Bố trí nêm cát cho đập Đồng Bể. Ban đầu vị trí nêm cát đã tính toán và theo nguyên
tắc nhƣ các bƣớc đã trình bày ở trên. Tuy nhiên, khi làm việc với chủ đập do lo ngại về
an toàn đập, hồ lại đang tích nƣớc nên chủ đập đã không đồng ý. Sau khi bàn luận và
tính toán diễn biến của dòng thấm qua các giai đoạn thi công đập thì thấy rằng đặt chân
nêm cát bằng với cao trình đống đá, đỉnh nêm cát cách cơ hạ lƣu 50 cm là hoàn toàn khả
thi và không làm mất đi độ tin cậy của các giá trị thí nghiệm.
Hệ thống nêm cát gồm 3 nêm cách nhau 4 m (Ln=4 m) nhƣ khuyến cáo ở Chƣơng 2, đƣợc lắp đặt tại vị trí thấm số 2 đánh số thứ tự lần lƣợt là N1, N2, N3 Bố trí 4 giếng quan trắc mực nƣớc ký hiệu là h1, h2, h2‟ và h3. Cụ thể nhƣ Hình 3-6.
Nêm N2: vùng giữa đoạn bị thấm; tại lƣng nêm cát (dịch về thƣợng lƣu) bố trí
giếng đo nƣớc h1. Số đọc h1 để chỉ cao độ mực nƣớc đƣờng bão hòa tại vị trí nêm N1.
Nêm N1 và N3: bên trái và bên phải nêm N2, cách 4 m tình theo tâm đến tâm.
Giếng T2 (số đọc h2) nằm giữa Nêm N2 và N3. Số đọc h2 để chỉ cao độ mực nƣớc
đƣờng bão hòa giữa 2 nêm N2 và N3;
Giếng T2‟ (số đọc h2‟) nằm giữa Nêm N2 và N1. Số đọc h2‟ để chỉ cao độ mực nƣớc đƣờng bão hòa giữa 2 nêm N2 và N1. Mục đích của lắp đặt 2 giếng ở giữa là nhằm xem xét ảnh hƣởng của khoảng cách các nêm cát đến đƣờng bão hòa (độ vồng, trình bày trong mục 2.4.3).
Giếng T3 (số đọc h3) nằm xa về bên trái nêm N3; cách 9,25 m; số đọc trong giếng h3 để chỉ cao độ độ đƣờng bão hòa của đập hiện trạng (đoạn bị thấm) và đƣợc xem là không bị ảnh hƣởng do hoạt động thu hút nƣớc thấm của nêm cát.
65
Hình 3-6 Sơ đồ không gian bố trí lắp đặt nêm cát và giếng quan trắc
Các giếng quan trắc đƣợc thiết kế theo TCVN 9903:2014 [27]. Sau khi thi công
xong, cao độ miệng giếng (và theo đó là cao độ mực nƣớc đƣờng bão hòa thấm trong
các giếng) đƣợc quy đổi về cùng hệ cao độ đập và mực nƣớc hồ.
3.3.2.3 Quy cách nêm cát:
Hình 3-7 Mặt cắt nêm cát và các thiết bị đo
Ký hiệu:
1- Băng thu nƣớc; 5- Đất đắp hoàn trả mặt cắt;
2- Ống gắn băng; 6- Giếng đo mực nƣớc (h);
3- Ống tiêu nƣớc ra ngoài phía hạ lƣu; 7- Van khoá;
4- Ống khói (chimney) bằng cát lọc; 8- Đồng hồ cơ đo lƣu lƣợng.
Mong muốn là đặt chân nêm cát tại cao trình chân đập. Tuy nhiên, vì thời điểm thí
nghiệm hồ đang tích nƣớc, lo ngại về an toàn đập nên chủ đập không đồng ý. Do đó, đã
phải bố trí chân nêm cát ở cao độ bằng với đỉnh đống đá tiêu nƣớc. Nhƣng hạn chế này
66
không làm mất đi độ tin cậy của thí nghiệm.
Chạy phần mềm tính và vẽ sơ bộ đƣờng bão hòa khi chƣa có nêm cát, chọn đỉnh
nêm cát tại vị trí đƣờng bão hòa đổ ra mái hạ lƣu.
Sẽ là tốt hơn nếu trên cùng một mặt cắt ngang đập đặt đƣợc 2 giếng quan trắc.
Nhƣ vậy sẽ có 3 điểm để vẽ đƣờng bão hòa (với điểm vào là mực nƣớc thƣợng lƣu và 2
điểm ra là số đọc trong 2 giếng). Tuy nhiên, do không đƣợc sự đồng ý của chủ đập nên
chỉ lắp đặt 1 giếng, tại vị trí cuối đƣờng bão hòa – trƣớc nêm cát.
Lƣng nêm cát dựa vào đất đắp đập, mái dốc m = 1; Chiều dày nêm cát bằng 1 m.
Chiều rộng nêm cát bằng 1 m (W=1 m) theo khuyến cáo ở Chƣơng 2.
Cát làm ống khói là loại cát vàng, lọc sạch (hạt bụi nhỏ hơn 0,2 mm chiếm không
quá 5% theo TCVN 12286:2018 [28].
3.3.2.4 Thiết bị đo và cách đo:
Đo mực nƣớc: bằng thƣớc thép độ chính xác đến mm, phát tín hiệu điện khi đầu
do chạm mặt nƣớc trong giếng. Số đọc trên thƣớc thép đƣợc quy đổi về cao độ
thống nhất chung (khi cao độ mỗi miệng giếng đã đƣợc kiểm định và quy đổi về
cao độ chung).
Đo lƣu lƣợng nƣớc thấm tức thời bằng ống thủy tinh khắc vạch và đồng hồ bấm
giây.
Đo tổng lƣợng trong thời đoạn bằng đồng hồ cơ đo nƣớc sinh hoạt.
Bố trí 3 tầng băng khác nhau (Hình 3-8), mỗi tầng cách nhau 0,3 m. Mỗi tầng băng
đƣợc dẫn ra một van khóa độc lập (Hình 3-8a). Ví dụ, muốn biết đƣợc tầng băng trên
cùng có thu đƣợc nƣớc hay không thì khóa 2 tầng dƣới lại và đo lƣu lƣợng chảy ra ở
tầng trên. Sau khi đo xong thì mở toàn bộ các tầng cho nƣớc thoát tự do. Mỗi lần đo lƣu
lƣợng phải đồng thời với việc đọc mực nƣớc thƣợng lƣu.
Q2-3: ứng với băng lọc tầng 2-3 (tầng trên cùng); Q2-2: ứng với băng lọc tầng 2-2
(tầng giữa); Q2-1: ứng với băng lọc tầng 2-1 (tầng dƣới cùng) - cùng cao độ với các băng
đặt trong N1 và N3). Cách đo lƣu lƣợng nhƣ sau:
Q2: Lƣu lƣợng đo đƣợc khi mở toàn bộ van V2-1, V2-2, V2-3;
67
Q2-1: Mở van 2-1, đóng van 2-2 và 2-3; Q2-2: Mở van 2-2, đóng van 2-1 và 2-3;
và Q2-3: Mở van 2-3, đóng van 2-1 và 2-2.
a) Hệ thống van khóa và đồng hồ đo b) Bố trí kết cấu băng lọc trong các nêm
Hình 3-8 Sơ đồ bố trí các lớp băng trong nêm cát
Hình 3-9 Ảnh chụp đang quan trắc mực nƣớc và đo lƣu lƣợng (11/2017).
3.3.3 Quá trình thi công
Tiến hành đào 3 rãnh có kích thƣớc chiều rộng là 1,0 m, mỗi rãnh cách nhau 4,0
m, sâu 3,5 m. Đào rãnh xong khoảng 2 giờ đồng hồ thì nƣớc bắt đầu rò rỉ ở phần vách
hố đào (phần tiếp giáp đập cũ và phần áp trúc) cách mặt cơ khoảng 1,2 m trở xuống đến
chân rãnh, ở cao trình +33,65 m, Hình 3-10a. Tuy nhiên, phần vách hố đào thuộc phần
đất áp trúc không có hiện tƣợng nƣớc thấm ra, Hình 3-10a. Điều này một lần nữa khẳng
định chính phần đắp áp trúc có hệ số thấm nhỏ đã chặn, dâng dòng thấm lên cao làm
nƣớc thấm tích tụ trong thân đập. Quá trình thi công và lắp đặt nêm cát đƣợc thể hiện từ
Hình 3-10, xem chi tiết trong Phụ lục 4.
68
Hình 3-10 Hình ảnh thi công tại hiện trƣờng. a) Đào rãnh; b) Lắp đặt nêm cát; c)
Hoàn thành thi công nêm cát
3.3.3 Phương pháp đo
3.3.3.1 Đo mực nước và lưu lượng trên hiện trường
Kết quả quan trắc mực nƣớc trong giếng đo áp và lƣu lƣợng thấm chảy qua nêm
cát đƣợc đo đạc vào thời điểm sau khi thi công xong nêm cát từ 8/2016 đến 9/11/2016,
tứ là suốt mùa lũ năm 2016. Trong đó, từ giữa tháng 10/2016 đến giữa tháng 11/2016 là
thời điểm nƣớc đi qua đập tràn, Bảng 3-2.
Năm 2017, tác giả đã tiến hành kiểm tra lại các thiết bị thí nghiệm lắp đặt thấy rằng
các kết cấu vẫn hoạt động bình thƣờng, có nƣớc chảy ra ngoài qua các đƣờng ống tại vị trí
bể quan trắc. Sau đó, tiếp tục đo đạc mực nƣớc trong giếng đo áp và lƣu lƣợng thấm chảy
qua nêm cát, thời gian đo đạc đƣợc bắt đầu từ cuối tháng 11/2017 (bắt đầu mùa mƣa) đến
cuối tháng 12/2017.
Kết quả quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng sau một năm lắp đặt nêm cát, xem chi tiết
Bảng 3-3. Do mực nƣớc trong hồ biến đổi rất chậm nếu trời không mƣa nên không phải đo
hàng ngày (đã đo thử: nếu mực nƣớc hồ không thay đổi thì số đọc gần giống nhau). Chỉ
khi mực nƣớc hồ có thay đổi thì mới đọc kết quả, do đó số liệu đo trong Bảng 3-2, Bảng 3-
3 có sự cách quãng về thời gian.
Số liệu đo đạc mực nƣớc trong các giếng đƣợc thực hiện lúc 6 h sáng của ngày.
Mỗi lần đo phải đọc số liệu mực nƣớc hồ, số đọc trong các giếng T1, T2, T2‟ và T3; đồng
thời đọc lƣu lƣợng qua các nêm cát Q1, Q2 và Q3 và trình bày trong Bảng 3-2, Bảng 3-3.
69
Kết quả đo lƣu lƣợng qua các tầng băng Q2, Q2-1 và Q2-2 và Q3 trong nêm N2 trình
bày trong Bảng 3-4.
3.3.3.2 Đo chất lượng nước:
Chất lƣợng nƣớc đƣợc đo bằng cách lấy mẫu vào chai tại các vị trí cần thiết và đƣa
về phòng thí nghiệm của Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam để đo độ đục (chỉ số NTU).
Kết quả trình bày trong Bảng 3-5.
3.4 Kết quả quan trắc và bình luận
3.4.1 Kết quả quan trắc mực nước và lưu lượng thấm thoát ra từ nêm cát
Kết quả quan trắc mực nƣớc trong giếng đo áp và lƣu lƣợng thấm chảy qua nêm
cát, đƣợc đo đạc vào thời điểm sau khi thi công xong nêm cát, 8/2016 (xem chi tiết
Bảng 3-2) và thời điểm sau một năm là năm 2017 Bảng 3-3. Số liệu đo đạc đƣợc thực
hiện lúc 6 h sáng của ngày.
Nhận xét: Căn cứ vào biểu đồ quan trắc cột nƣớc trong các giếng T3, T2, T1, T2‟ (số đọc
mực nƣớc tƣơng ứng là h3, h2, h1, h2‟) ta thấy mực nƣớc trong giếng đo đƣợc trong năm
2016 và năm 2017 biến đổi tƣơng đối theo quy luật. Mực nƣớc hồ (MN) tăng thì đồng
loạt mực nƣớc các giếng đều dâng.
Riêng mực nƣớc tại giếng T2 và T2‟ (số đọc h2 và h2‟) đáng lẽ phải gần giống nhau,
nhƣng kết quả đo chênh lệch khoảng 0,3 m. Điều này chỉ đƣợc lý giải sau khi nghiên
cứu hồ sơ lƣu trữ, tại vị trí giữa nêm N2 và N2„ lại đúng vào tiếp giáp của 2 gói thầu thi
công đắp đập. Phải chăng vì thế mà có khuyết tật khi đắp giáp mối trong quá trình thi
công. Đây là tồn tại của kết quả thu đƣợc.
Trong cả hai năm 2016, 2017, khi mực nƣớc thƣợng lƣu từ cao trình +39,00 m trở
nên thì nƣớc thấm ra trên cơ hạ lƣu tại giếng T3 (số đọc h3 âm), nhƣng tại vị trí có nêm
cát thì nƣớc trong giếng T1, T2 và T2‟ vẫn nằm dƣới cơ (số đọc h1, h2 và h2‟ dƣơng), năm
2016 là 1,48 m và năm 2017 là 1,12 m. Nhƣ vậy hiệu quả nêm cát là rất rõ ràng.
Chỉ đo đƣợc một trƣờng hợp chảy tràn xảy ra vào ngày 9/11/2016 (MN=39,70 m).
Sau một năm hoạt động, mực nƣớc giữa các giếng vẫn có cùng quy luật và chênh
lệch không lớn. Điều này khẳng định nêm cát hoạt động ổn định, không bị tắc.
70
Bảng 3-2 Kết quả quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng sau khi lắp đặt nêm cát, năm 2016
MNTL Q3 Q2 Q1 h3 CT3 h2 CT2 h1 CT1 h2' CT2’ TT Ngày đo
(m) (m) (m) (m) (m) (l/p) (l/p) (l/p)
0,35 0,72 1,81 0,31 1 26/8/2016 36,80 0,047 0,063 0,046 36,66 36,29 35,20 36,70
0,16 0,54 1,56 0,17 2 16/9/2016 38,20 0,048 0,081 0,109 36,85 36,47 35,45 36,84
0,17 0,55 1,55 0,18 3 17/9/2016 38,25 0,058 0,082 0,100 36,84 36,46 35,46 36,83
0,17 0,55 1,55 0,19 4 18/9/2016 38,28 0,059 0,086 0,105 36,84 36,46 35,46 36,82
0,14 0,58 1,55 0,20 5 20/9/2016 38,30 0,058 0,092 0,068 36,87 36,43 35,46 36,81
0,05 0,50 1,42 0,16 6 27/9/2016 38,50 0,066 0,098 0,118 36,96 36,51 35,59 36,85
0,07 0,52 1,43 0,17 7 3/10/2016 38,55 0,070 0,100 0,086 36,94 36,49 35,58 36,84
0,05 0,51 1,41 0,16 8 4/10/2016 38,55 0,086 0,118 0,082 36,96 36,5 35,6 36,85
-0,02 0,47 1,35 0,14 9 17/10/2016 39,00 0,062 0,090 0,122 37,03 36,54 35,66 36,87
-0,03 0,46 1,30 0,14 10 20/10/2016 39,00 0,080 0,110 0,118 37,04 36,55 35,71 36,87
-0,02 0,49 1,32 0,16 11 27/10/2016 39,05 0,078 0,114 0,130 37,03 36,52 35,69 36,85
-0,14 0,42 1,20 0,09 12 9/11/2016 39,70 0,090 0,154 0,204 37,15 36,59 35,81 36,92
71
Bảng 3-3 Kết quả quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng sau một năm lắp đặt nêm, năm 2017
MNTL Q3 Q2 Q1 h3 CT3 h2 CT2 h1 CT1 h2' CT2’ TT Ngày đo
(m) (m) (m) (m) (m) (l/p) (l/p) (l/p)
-0,04 0,48 1,15 0,14 1 25/11/2017 39,28 0,065 0,090 0,135 37,05 36,53 35,86 36,87
-0,03 0,46 1,16 0,14 2 26/11/2017 39,27 0,056 0,083 0,140 37,04 36,55 35,85 36,87
-0,06 0,43 1,15 0,15 3 27/11/2017 39,27 0,065 0,100 0,160 37,07 36,58 35,86 36,86
-0,04 0,44 1,15 0,11 4 29/11/2017 39,27 0,070 0,085 0,142 37,05 36,57 35,86 36,90
-0,08 0,43 1,08 0,12 5 4/12/2017 39,20 0,068 0,089 0,122 37,09 36,58 35,93 36,89
-0,06 0,44 1,10 0,12 6 7/12/2017 39,25 0,075 0,093 0,135 37,07 36,57 35,91 36,89
-0,04 0,44 1,10 0,11 7 12/12/2017 39,28 0,082 0,076 0,158 37,05 36,57 35,91 36,90
-0,05 0,42 1,10 0,11 8 20/12/2017 39,15 0,080 0,075 0,147 37,06 36,59 35,91 36,90
Ghi chú:
MNDGC = +40,44 m; MNDBT = +39,40 m;
Cao trình cơ hạ lƣu: +37,01 m; cao trình đáy nêm cát: +33,65 m; cao trình đỉnh
đống đá tiêu nƣớc: +33,50 m (Chuẩn so sánh);
h là độ sâu mực nƣớc trong giếng quan trắc. Lƣu ý là độ sâu h của mỗi giếng sau
khi đo đã chuyển về cùng một cao độ chuẩn (cao độ mặt cơ hạ lƣu: +37,01 m)
mới đƣa vào bảng trên;
Q là lƣu lƣợng đo đƣợc qua các van;
Trong Bảng 3-2 chọn ra 3 dòng 1, 2, 11 và 12 là các mực nƣớc điển hình cho các
72
mức thấp, trung bình và cao trong liệt tài liệu đo đƣợc dùng để phân tích và so
sánh với kết quả tính toán;
Trong cột số đọc mực nƣớc của các giếng: dòng trên là khoảng cách từ mực nƣớc
trong giếng đến cao trình +37,01 m; dòng dƣới là quy đổi về cao độ chung.
Kết quả quan trắc cột nƣớc trong các giếng năm 2016 và 2017 trong Bảng 3-2 và
Bảng 3-3 đƣợc trình bày dƣới dạng đồ thị trong Hình 3-11.
Hình 3-11 Kết quả quan trắc cột nƣớc trong các giếng, năm 2016 và 2017
3.4.2 Xác định vị trí (cao độ) của đường bão hoà đổ vào nêm cát
Khi sử dụng phần mềm để vẽ đƣờng bão hòa với đập có vật thoát nƣớc nói chung
thƣờng không có hƣớng dẫn cụ thể. Thủ thuật của các kỹ sƣ thƣờng làm nhƣ sau:
Trƣờng hợp đống đá tiêu nƣớc thƣờng chọn là điểm góc trên bên trái của lăng thể,
trƣờng hợp thoát nƣớc áp mái thƣờng chọn là đỉnh của thảm lọc.
Mục đích của thí nghiệm này là tìm xem đƣờng bão hòa đổ vào điểm nào (cao độ
nào) phía sau lƣng nêm cát qua việc đo lƣu lƣợng nƣớc chảy qua các lớp băng trong
nêm N2, bố trí nhƣ trong Hình 3-8b, thao tác các van khóa nhƣ trong Hình 3-8a.
73
Bảng 3-4 Kết quả đo lƣu lƣợng qua các lớp băng trong nêm N2
MNTL Q2 Q2-1 Q2-2 Q2-3 TT Ngày đo (m) (lít/phút)
26/8/2016 36,80 0,059 0 0 0,063 1
16/9/2016 38,20 0,077 0 0 0,081 2
17/9/2016 38,25 0,078 0 0 0,082 3
18/9/2016 38,28 0,059 0 0 0,086 4
20/9/2016 38,30 0,082 0 0 0,092 5
27/9/2016 38,50 0,087 0 0 0,098 6
3/10/2016 38,55 0,098 0 0 0,100 7
4/10/2016 38,55 0,104 0 0 0,118 8
17/10/2016 39,00 0,086 0 0 0,090 9
20/10/2016 39,00 0,108 0 0 0,110 10
27/10/2016 39,05 0,096 0 0 0,114 11
9/11/2016 39,70 0,104 0,074 0,054 0,155 12
Hình 3-12 Khả năng thu nƣớc tại vị trí nêm N2
Kết quả đo đạc lƣu lƣợng thấm qua các lớp băng trong nêm N2, Bảng 3-4 ta thấy
rằng khi lƣu lƣợng tăng tỷ lệ thuận với cao trình mực nƣớc thƣợng lƣu. Khi mở hết các
van thì thấy rằng lƣu lƣợng đo đƣợc lớn hơn lƣu lƣợng khi chỉ mở van V2-1. Khi mực
74
nƣớc ở cao trình +39,70 m tại thời điểm chảy tràn đo đƣợc lƣu lƣợng ở các lớp băng, tại
lớp băng 2-2 (0,074 l/phút) và băng 2-3 (0,054 l/phút). Điều này cho thấy dòng thấm
trong thân đập đã dâng cao và đổ vào lƣng nêm cát. Khi mực nƣớc thƣợng lƣu từ cao
trình +39,05 m trở xuống thì chỉ có lớp băng dƣới cùng thu đƣợc nƣớc. Để nâng cao
đƣợc hiệu quả thu nƣớc cần phải xem xét nên đặt nêm bố trí liên tục một lớp băng thay
vì bố trí nhiều lớp trong một nêm.
Hình 3-13 Nƣớc thấm vào chủ yếu ở lớp nêm dƣới cùng
Đặc tính hút nƣớc của nêm ở giữa (N2) so với 2 nêm cát còn lại (N1, N3). Kết quả
quan trắc lƣu lƣợng sau khi lắp đặt nêm cát, năm 2016 và năm 2017 ta thấy rằng lƣu
lƣợng thu đƣợc từ nêm N2 là tƣơng đối ổn định, còn giá trị của nêm N1, N3 có su
hƣớng tăng, có thể do mặt bên của 2 nêm này có tác dụng thu nƣớc ngang thân đập,
Hình 3-14.
Hình 3-14 Kết quả quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng sau khi lắp đặt nêm cát, năm 2016 và năm 2017
75
3.4.3 Kết quả đo chất lượng nước
Các vị trí lấy mẫu nƣớc để thí nghiệm chất lƣợng đƣợc thể hiện nhƣ Hình 3-15.
Trong đó, Điểm A là điểm lấy mẫu nƣớc tại vị trí trong hồ; Điểm B là điểm lấy mẫu
nƣớc tại vị trí trong giếng quan trắc; Điểm C là điểm lấy mẫu nƣớc tại vị trí rãnh thoát
nƣớc ở cơ hạ lƣu (nƣớc thấm ra mái); Điểm D là điểm lấy mẫu nƣớc tại vị trí đƣờng ống
thoát nƣớc sau nêm cát. Các mẫu nƣớc đƣợc phân tích tại phòng thí nghiệm của Viện
Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam, kết quả nhƣ Bảng 3-5.
Hình 3-15 Sơ đồ vị trí lấy mẫu đo độ đục trƣớc và sau nêm cát.
Bảng 3-5 Bảng kết quả đo độ đục trƣớc và sau nêm cát
A B C D Tiêu
chuẩn Vị trí Nƣớc Trong Rãnh trên Nƣớc lấy sau khi nƣớc sinh
trong hồ giếng T1 mặt cơ hạ lƣu qua nêm cát hoạt
Độ đục, 21,11 13,10 61,00 0,00 5 (NTU)
Nhận xét:
Bảng 3-5 cho thấy nƣớc sau khi đƣợc lọc qua nêm cát đã loại bỏ đƣợc các tạp chất
lơ lửng, độ đục từ 13,10 NTU (nƣớc trong giếng quan trắc đặt phía trƣớc nêm) chuyển
thành 0 NTU sau nêm cát. Điều này chứng tỏ nêm cát không những có chức năng hạ
thấp đƣờng bão hoà mà còn loại bỏ đƣợc các chất lơ lửng do dòng nƣớc cuốn theo. Đây
chính là điều kiện để nêm cát hoạt động bền vững, vì nó không cuốn theo các hạt bụi.
76
3.5 So sánh giữa kết quả tính bằng phần mềm Midas với kết quả đo hiện trƣờng
3.5.1 Số liệu tính toán
Chọn vị trí tính toán tại mặt cắt có hố khoan HK3. Thông số mặt cắt đập nhƣ Bảng
3-6 dựa trên tài liệu khảo sát, chỉ tiêu cơ lý của đập hiện trạng lấy theo tài liệu khảo sát
[29], hệ số thấm của nêm cát và của băng thu lấy theo kết quả khuyến cáo ở Chƣơng 2,
Bảng 3-7.
Bảng 3-6 Thông số của đập đất Đồng Bể
Chiều cao Chiều rộng Hệ số mái Thông số (m) (m) (m)
m1 = 2,75 Đập cũ 9,5 4,0 m2 = 2,5
Khối áp trúc 4,9 3,7 m3 = 2,5
m1‟ = 1,5 Lăng trụ 1,5 1,2 m2‟ = 1,5
Nêm cát (xử lý) 2,3 1,0 m4 = 1,0
Hình 3-16 Mặt cắt ngang đập Đồng Bể tại vị trí tính toán
Mặt cắt tính toán nhƣ Hình 3-16, các chỉ tiêu tính toán nhƣ Bảng 3-6. Trong đó, các
chỉ tiêu của đập hiện trạng lấy theo tài liệu khảo sát; Hệ số thấm của ống khói cát và của
băng thu lấy theo kết quả khuyến cáo ở Chƣơng 2.
77
Bảng 3-7 Bảng chỉ tiêu cơ lý của đập và nêm cát
c K E Vật liệu (KN/m2) (m/s) (KN/m2) w (KN/m3) (độ)
22,1 2,00x10-6 0,3 9000 19,3 Lớp 1 16,5
22,3 1,78x10-6 0,3 12000 18,8 Lớp 2 13,5
22,7 1,90x10-7 0,3 15000 19,5 Lớp 3 18,2
19,3 18,2 22,2 1,00x10-7 0,3 15000 Khối áp trúc
Lăng trụ 21,0 38,0 5,00x10-3 0,28 50000 0
Cát lọc 16,5 30,0 1,00x10-4 0,3 30000 0
Băng lọc 1,50x10-3
3.5.2 Các trường hợp tính toán thấm
Các trƣờng hợp tính toán đƣợc thể hiện nhƣ sơ đồ Hình 3-17.
b, Đập sau khi đắp áp trúc + lăng trụ thoát a, Đập trƣớc khi đắp áp trúc (TH1)
nƣớc hoạt động bình thƣờng (TH2)
c, Đập sau khi đắp áp trúc + lăng trụ thoát d, Đập sau khi đắp áp trúc+lăng trụ thoát
nƣớc đã bị tắc (TH3)- PA nhƣ hiện trạng nƣớc đã bị tắc+nêm cát (TH4)- PA đề xuất
Hình 3-17 Sơ đồ các trƣờng hợp tính toán
78
Trƣờng hợp 1: Mô phỏng đập trƣớc khi đắp áp trúc + lăng trụ thoát nƣớc bị tắc;
Trƣờng hợp 2: Mô phỏng đập sau khi đắp áp trúc, giả thiết lăng trụ thoát nƣớc
hoạt động bình thƣờng (từ năm 2003 đến năm 2010);
Trƣờng hợp 3: Mô phỏng đập sau khi đắp áp trúc, giả thiết lăng trụ thoát nƣớc bị
tắc (từ năm 2010 đến năm 2016)- hiện trạng trƣớc khi lắp nêm cát;
Trƣờng hợp 4: Mô phỏng đập sau khi đắp áp trúc, giả thiết lăng trụ thoát nƣớc bị
tắc, xử lý bằng nêm cát.
Chênh lệch cột nƣớc tính thấm: H = Z1 - Z2 = 7.5 m thƣợng lƣu (Z1 - ứng với
MNDBT; Z2 – cao trình mặt đất hạ lƣu đập).
3.5.3 Kết quả tính toán thấm bằng phần mềm Midas- bài toán phẳng
Tính toán lƣu lƣợng thấm qua đập (q) và điểm ra đƣờng bão hòa phía hạ lƣu đập
(a0). Kết quả xem Bảng 3-8.
Hình 3-18 Đƣờng bão hoà cho các trƣờng hợp TH1 và TH2
Hình 3-19 Đƣờng bão hoà cho các trƣờng hợp TH2, TH3 và TH4
79
Bảng 3-8 Bảng kết quả tính toán lƣu lƣợng và điểm ra của đƣờng bão hòa
TH 1 TH 2 TH 3 TH 4
q q q q a0 a0 a0 a0 Tính toán
l/phút/m l/phút/m l/phút/m l/phút/m m m m m
PM Midas 0,10 4,24 0,33 0,11 5,15 0,23 0 0
Ghi chú: Lƣu lƣợng thấm q (l/phút/m), ao là chiều cao điểm ra của dòng thấm tính từ
chân đập hạ lƣu.
Nhận xét:
Trƣờng hợp 1: Giả thiết lăng trụ thoát nƣớc bị tắc => dòng thấm xuất hiện ở
+36,24 m đúng nhƣ kết quả ghi nhận tình trạng đập trƣớc khi đắp áp trúc.
Trƣờng hợp 2: Mô phỏng đập sau khi đắp áp trúc, giả thiết lăng trụ thoát nƣớc
hoạt động bình thƣờng. Kết quả dòng thấm không xuất hiện ở mái hạ lƣu.
Trƣờng hợp 3: Đập sau khi đắp áp trúc, giả thiết lăng trụ thoát nƣớc bị tắc Kết
quả tính toán cho thấy thấm xuất hiện ở cao trình +37,15 m (trên cơ hạ lƣu), phù
hợp với quan trắc hiện trạng nhƣ thấy ở Hình 3-4b (trƣớc khi xử lý nêm cát).
Trƣờng hợp 4: Đập sau khi đắp áp trúc, giả thiết lăng trụ thoát nƣớc bị tắc, xử lý
bằng nêm cát. Kết quả tính toán cho thấy đƣờng bão hoà giảm đi đáng kể. Kết
quả tính toán phù hợp với đo đạc thực tế sau khi lắp đặt nêm cát trình bày ở phần
sau. Cần lƣu ý là nếu đặt đƣợc nêm cát xuống thấp bằng với mặt nền hạ lƣu thì
đƣờng bão hòa sẽ đúng nhƣ mong đợi. Tuy nhiên, do không đƣợc phép đào đống
đá tiêu nƣớc để lắp đặt nên kết quả chỉ hạ đến ngang đỉnh đống đá tiêu nƣớc.
Kết quả tính toán khá phù hợp với kết quả quan trắc hiện trạng và sau khi xử lý
thấm bằng nêm cát. Điều này chứng minh rằng, với công cụ phần mềm chuyên dụng
Midas GTS hoàn toàn có thể dùng để phân tích thấm đập đất. Kết quả phân tích thấm
nhƣ trên đƣợc xem nhƣ là một bƣớc kiểm định cho nghiên cứu ở phần sau.
3.5.4 Phân tích thấm qua mô hình Midas 3D
Để mô phỏng đặc tính không gian do hiện tƣợng nêm cát hút nƣớc, làm cho đƣờng
bão hòa hạ thấp nhất tại giữa nêm cát, vồng lên trong khoảng nhƣ nêm cát nhƣ trình bày
80
ở mục 2.4.3 của Chƣơng 2 ta phải sử dụng modun 3D trong phần mềm Midas.
3.5.4.1 Kịch bản tính toán
Xác định đƣợc đƣờng bão hòa trong các trƣờng hợp có và không có nêm lọc, ứng
với 4 MNTL điển hình của hồ là: mức thấp (+36,80 m – mùa khô, ngày 26/8); mức
trung bình (+38,20 m – giữa mùa mƣa, ngày 16/9); mức cao (+39,05 m – cuối mùa mƣa,
ngày 27/10, gần với MNDBT) và mức chảy tràn (+39,70 m – cuối mùa mƣa, ngày
9/11).
Chiều dài mô hình 30 m (khu vực giữa bố trí 3 nêm cát N1, N2, N3), chiều cao mô
hình là 25 m, xem Hình 3-20.
3.5.4.2 Điều kiện biên
Hai mặt bên mô hình phƣơng X: cố định phƣơng X;
Hai mặt bên mô hình phƣơng Y: cố định phƣơng Y;
Mặt đáy mô hình: cố định cả ba phƣơng X,Y và Z; mặt trên mô hình: tự do.
Hình 3-20 Mô hình tính toán thấm 3D
3.5.4.3 Mực nước tính toán
Tính toán bài toán thấm với các MNTL ở cao trình +36,80 m, +38,20 m, +39,05
m, +39,70 m; hạ lƣu không có nƣớc.
3.5.4.4 Kết quả tính toán đường bão hoà
Kết quả tính toán thấm từ phần mềm Midas 3D cho các trƣờng hợp với mực nƣớc
khác nhau thể hiện trên Hình 3-21.
81
Hình 3-21 Hình ảnh đƣờng bão hoà tại các mặt cắt xem xét.
3.5.5 So sánh kết quả giữa mô hình vật lý và mô hình toán
3.5.5.1 Đường bão hoà trong thân đập
Kết quả tính toán đƣờng bão hoà trên mô hình Midas 3D đƣợc so sánh với với kết
quả quan trắc thực tế trên mô hình vật lý, đƣợc thể hiện từ Hình 3-22 đến Hình 3-25.
Hình 3-22 So sánh kết quả đo đạc thực tế và tính toán, MNTL = +36,80 m
Hình 3-23 So sánh kết quả đo đạc thực tế và tính toán, MNTL = +38,20 m
Hình 3-24 So sánh kết quả đo đạc thực tế và tính toán, MNTL = +39,05 m
82
Hình 3-25 So sánh kết quả đo đạc thực tế và tính toán, MNTL = +39,70 m
Ghi chú:
- ĐBH-HT là ký hiệu đƣờng bão hòa hiện trạng, tính toán cho mặt cắt qua giếng
T3, điểm ra tính toán sẽ đƣợc so sánh với số đọc h3;
- ĐBH-N2 là ký hiệu đƣờng bão hòa tính toán cho mặt cắt qua nêm cát N2, điểm ra
tính toán sẽ đƣợc so sánh với số đọc h1;
- ĐBH-N23 là ký hiệu đƣờng bão hòa tính toán cho mặt cắt chính giữa hai nêm cát
N2 và N3, điểm ra tính toán sẽ đƣợc so sánh với số đọc h2;
So sánh h3, h2, h2‟ ta sẽ dựng lên đƣợc hình ảnh phễu hạ thấp mực nƣớc do ảnh
hƣởng của nêm cát trên cùng mặt phẳng đi qua các giếng đo - theo chiều dọc đập.
Trích xuất cao độ điểm ra theo tính toán đƣờng bão hòa tại các vị trí giếng đo và
so với kết quả đo thực tế (h3 , h2 , h2‟ ) đƣợc trình bày trong Bảng 3-9 dƣới đây.
Nhận xét:
Kết quả tính toán tại mặt cắt qua giếng T3 (số đọc h3, ứng với mặt cắt không có
nêm cát - đƣợc xem nhƣ độ cao của đƣờng bão hòa của hiện trạng) tƣơng đối phù hợp
với kết quả quan trắc (xem Hình 3-22 đến Hình 3-25). Cụ thể, khi mực nƣớc hồ là
+39,05 m trở lên thì số đọc h3 < 0, tức là điểm ra của đƣờng bão hoà nằm cao hơn cơ
mái hạ lƣu. Điều này phù hợp với thực tế quan sát thấy nƣớc thấm chảy vào rãnh tiêu
nƣớc (Hình 3-4).
Tại vị trí có nêm cát, mặt cắt qua T1 (h1), đƣờng bão hoà hạ xuống rõ rệt nhờ kết
cấu nêm cát. Mức độ hạ thấp khi có nêm cát so với hiện trạng (vị trí T3) phụ thuộc cao
độ mực nƣớc hồ và lần lƣợt là: h = h1 – h3 = 1,46 m; 1,40 m; 1,34 m; 1,34 m tƣơng
ứng với các mực nƣớc hồ ở mức thấp, trung bình cao và khi chảy tràn.
83
Bảng 3-9 Cao độ mực nƣớc tính toán tại các vị trí quan trắc so với kết quả đo thực tế
tt
tt
tt
MNTL h3 CT3 h3 CT3tt h2 CT2tt h2' CT2’ h1 CT1tt (m) (m) (m) h2 CT2 (m) (m) (m) h1 CT1 (m) (m)
0,35 0,56 0,72 1,15 0,31 1,81 2,17 36,80 36,66 36,45 36,29 35,86 36,70 35,20 34,84
0,16 0,22 0,54 0,83 0,17 1,56 1,86 38,20 36,85 36,79 36,47 36,18 36,84 35,45 35,15
-0,02 -0,21 0,49 0,37 0,16 1,32 1,30 39,05 37,03 37,22 36,52 36,64 36,85 35,69 35,71
-0,14 -0,41 0,42 0,18 0,09 1,20 1,39 39,70 37,15 37,42 36,59 36,83 36,92 35,81 35,62
Chú thích:
Số đọc (-) tức là đƣờng bão hòa nằm cao hơn, mốc cao độ là +37,01 m;
T2 (h2) nằm giữa nêm N3 và nêm N2;
T1 (h1) nằm đúng vào vị trí nêm N2;
T2‟ (h2‟) nằm giữa nêm N2 và nêm N1.
3.5.5.2 Độ vồng của đường bão hòa giữa 2 nêm cát, so sánh lý thuyết và thực nghiệm
Nhƣ trình bày trong mục 2.4.3 Chƣơng 2, theo phƣơng dọc trục đập thì mỗi nêm
cát có xu hƣớng hút nƣớc tập trung làm hạ thấp đƣỡng bão hòa tại trung tâm (nêm cát),
và có độ vồng lên ở giữa các nêm, tƣơng tự nhƣ hiện tƣợng hút nƣớc ngầm trong dãy
giếng khoan. Điều mong muốn độ vồng mực nƣớc của đƣờng bão hòa dọc theo trục đập
là nhỏ nhất.
Luận án đã sử dụng phần mềm Midas GTS để xem xét cao độ mực nƣớc tại điểm
ra (tại mặt cắt dọc đập đi qua vị trí các giếng đo) và nối chúng thành đƣờng cong E-D-
C-B-A-B‟-C‟-D‟-E‟ nhƣ Hình 3-26.
Hình 3-26 cho thấy: Tại chính giữa các nêm cát N1, N2, N3 đƣờng bão hoà hạ
xuống, và giữa các nêm N1-N2 và N2-N3 đƣờng bão hoà vồng lên. Mức độ vồng lên bao
84
nhiêu sẽ phụ thuộc vào việc bố trí khoảng cách giữa các nêm cát.
Hình 3-26 Hình ảnh độ vồng đƣờng bão hoà do nêm cát tính bằng mô hình 3D
Hình 3-27 So sánh kết quả tính toán độ vồng bằng lý thuyết với thực nghiệm
Luận án đã so sánh hiệu quả hạ thấp đƣờng bão hòa giữa kết quả tính toán và quan
trắc theo phƣơng dọc đập. Do điều kiện thí nghiệm trên công trình thực tế rất khó khăn,
với 4 giếng đo đã lắp đặt, số liệu quan trắc ở các mực nƣớc hồ khác nhau đã xây dựng
đƣợc một đoạn đƣờng cong, thể hiện ở Hình 3-27 và đi đến các nhận xét sau:
Xu hƣớng hạ thấp đƣờng bão hòa do ảnh hƣởng của khoảng cách giữa các nêm
cát là phù hợp giữa tính toán và đo đạc thực tế, xem Bảng 3-9.
Mức độ hạ thấp đƣờng bão hòa tại nêm N2 không bị ảnh hƣởng nhiều do sự thay
đổi mực nƣớc hồ. Cụ thể: với các mực nƣớc hồ ở cao độ +36,80 m/+38,20 m/+39,05
m/+39,70 m thì mức hạ thấp (h1) tƣơng ứng là 1,46 m/1,40 m/1,34 m/1,34 m.
85
3.6 Kết luận Chƣơng 3
Nghiên cứu hiệu quả của nêm cát thu lọc nƣớc thấm lắp đặt tại đập Đồng Bể, tỉnh
Thanh Hóa, thu đƣợc những kết quả nhƣ sau:
Kết quả quan trắc mực nƣớc trong giếng trƣớc nêm cát trong năm 2016 và năm
2017 biến đổi tƣơng đối theo quy luật và phù hợp với kết quả tính toán bằng phần mềm
Midas GTS. Cụ thể:
Khi chƣa lắp đặt nêm cát, nƣớc thấm ra cơ hạ lƣu (số đọc trong giếng h3 âm)
Khi lắp đặt nêm cát thì cột nƣớc trƣớc nêm cát giảm (số đọc h1 dƣơng), năm
2016 là 1,48 m và năm 2017 là 1,12 m.
Xu hƣớng vận động lên xuống của đƣờng bão hòa tại nêm cát (số đọc h1), giữa
nêm cát (số đọc h2 và h2‟ ) và ngoài xa nêm cát (số đọc h3) đồng pha và phụ thuộc
mực nƣớc thƣợng lƣu.
Độ vồng của đƣờng bão hòa giữa 2 nêm cát khá phù hợp giữa lý thuyết và thực
nghiệm. Qua đó cho thấy việc bố trí khoảng cách nêm cát 4 m là hợp lý.
Kết quả quan trắc lƣu lƣợng qua các lớp băng cho thấy khi mực nƣớc vƣợt cao
trình +39,70 m (tại thời điểm chảy tràn) đo đƣợc lƣu lƣợng ở lớp băng 2-2 (0,074
l/phút) và băng 2-3 (0,054 l/phút). Điều này cho thấy dòng thấm trong thân đập đã dâng
cao và đổ vào lƣng nêm cát. Khi mực nƣớc thƣợng lƣu từ cao trình +39,05 m trở xuống
thì chỉ có lớp băng dƣới cùng thu đƣợc nƣớc. Điều này dẫn đến kiến nghị: xem xét nên
đặt nêm bố trí liên tục một lớp băng ở đáy thay vì bố trí nhiều lớp.
Sau một năm hoạt động nêm cát vẫn hoạt động bình thƣờng, nƣớc lọc không còn
hạt lơ lửng (NTU = 0). Điều này khẳng định một lần nữa nêm cát hoạt động bền vững, ít
có nguy cơ tắc.
86
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
I. KẾT LUẬN
Nghiên cứu hiệu quả hệ thống nêm cát thu lọc nƣớc thấm trong nâng cấp sửa chữa
đập đất vừa và nhỏ NCS đƣa ra đƣợc một số kết luận nhƣ sau:
1. Với các đập vừa và nhỏ cần xử lý thấm cần phải có kết cấu phù hợp, 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 nhƣ mô tả ở mục 1.6 và Hình
1-17 là 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.
2. Khi hồ đang tích nƣớc mà cần đào rãnh để lắp đặt nêm cát thì chỉ đƣợc phép đào với
chiều rộng rãnh đào không quá 5 m (W<5 m) để đảm bảo an toàn khi hồ đang tích nƣớc.
luận án kiến nghị thiết kế W=1 m để phù hợp với thiết bị thi công.
3. Với kiểu rãnh đào răng lƣợc rộng 1 m (W=1 m) thì khoảng cách rãnh đào không nên
quá 4 m (L<4 m), để thi công nhanh cho phép đào và để hở 3 rãnh một lúc, lắp đặt xong
rãnh nào yêu cầu lấp lại ngay, sau đó mới đƣợc đào rãnh mới tiếp theo. Làm nhƣ vậy để
đảm bảo gradient dòng thấm xuất hiện trên vách rãnh đào không vƣợt quá giá trị giới
hạn (Jmax < [J]) và đảm bảo hệ số an toàn ổn định cho phép (K < [K]) trong quá trình thi
công.
4. Phần mềm Midas GTS là một phần mềm mạnh trong việc mô phỏng bài toán thi
công lắp đặt nêm cát và phân tích bài toán thấm không gian vùng có nêm cát. Kết quả
phân tích thấm bằng phần mềm khá phù hợp với kết quả đo đạc trên mô hình tỷ lệ 1:1.
Trong tính toán có thể mô phỏng khai báo nêm cát bằng miền vật liệu có hệ số thấm K = 1.0x10-4 m/s và băng khía rãnh có K = 1.5x10-3 m/s; đƣờng bão hòa thấm đổ vào đáy
nêm cát.
5. Nêm cát với kích thƣớc tổng quát nhƣ Hình 1-17, Hình 1-18 và đƣợc lắp đặt vào vị
trí công trình nhƣ Hình 3-6; với chiều rộng rãnh W=1 m, chiều dày đệm cát B=1 m, đặt
cách nhau L = 4m, mỗi nêm lắp đặt 4 cánh băng dài 0,5 m nhƣ đã lắp đặt lắp đặt ở đập
Đồng Bể (Thanh Hóa) có tác dụng làm hạ thấp đƣờng bão so với trƣớc từ 1,12 m đến
1,48 m; lƣu lƣợng thu-lọc-thoát nƣớc đạt đến 0,155 lít/phút; hạ thấp và đƣa đƣờng bão
87
hòa nằm vào vùng an toàn cao xét theo tiêu chí an toàn thấm.
6. Nêm cát với nguyên lý lọc mao dẫn cho phép nƣớc đi qua mà giữ lại các hạt nhỏ,
hạt bụi đã ngăn chặn hiện tƣợng xói mòn, lấp tắc của tầng cát lọc và của đất đắp đập,
bảo đảm cho kết cấu lọc hoạt động ổn định lâu dài.
7. Kết cấu lọc kiểu nêm cát chôn trong chân đập sẽ ngăn chặn ảnh hƣởng của bùn đất
từ ngoài trôi vào, cỏ rác mọc làm tắc kết cấu lọc, giảm thiểu công tác duy tu thƣờng
xuyên.
8. Giải pháp mới cho phép đơn giản cách tính toán thiết kế tầng lọc, thi công nhanh, có
thể áp dụng cho đập vừa và nhỏ đang tích nƣớc.
II. TỒN TẠI CỦA LUẬN ÁN
1. Trong Chƣơng 2 đã sử dụng mô hình đập đập đồng chất, chiều cao 15 m và điều
kiện nền nhƣ ở Hình 2-6. Mô hình lý thuyết nhƣ Hình 2-6 chƣa phản ánh đầy đủ và toàn
diện các điều kiện phức tạp trong thực tế (đập không đồng chất, hệ số thấm của đập và
nền, cấu trúc địa chất của nền, v.v...). Mặc dù vậy vẫn có thể khẳng định phần mềm
Midas GTS hoàn toàn có thể sử dụng để mô phỏng bài toán thấm qua đập đất với những
điều kiện biên phức tạp hơn.
2. Việc lắp đặt nêm cát và thiết bị quan trắc tại hồ Đồng Bể còn một số điểm chƣa
đƣợc nhƣ mong muốn nhƣ: cao độ nêm cát chƣa đặt vào chân đập mà đặt bằng cao độ
đỉnh đống đá tiêu nƣớc, các giếng quan trắc còn ít, v.v... là do sợ ảnh hƣởng đến an toàn
đập đang tích nƣớc.
3. Kết quả quan trắc mực nƣớc trong giếng T2 (mực nƣớc h2) và T2‟ (mực nƣớc h2‟)
chƣa đúng nhƣ dự đoán (đúng ra phải bằng nhau) cũng là do hạn chế của việc thí
nghiệm trên mô hình đập đang tích nƣớc, việc giải thích nhƣ trong luận án chƣa đƣợc
kiểm chứng trong thực tế.
III. KIẾN NGHỊ
Trong quá trình thực hiện Luận án NCS nhận thấy cần phải tiếp tục nghiên cứu
một số vấn đề nhƣ sau:
1. Nghiên cứu sự hình thành vòm lọc tự nhiên giữa đất đắp đập với đệm cát, giữa đệm
88
cát và băng khía rãnh để chứng minh khả năng hoạt động ổn định và lâu dài của kết cấu
này.
2. Nghiên cứu thêm trƣờng hợp cao độ nêm cát nằm bằng với cao độ chân hạ lƣu đập.
3. Nghiên cứu ứng dụng kết cấu nêm cát để thoát nƣớc mái dốc.
89
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ
1. Phạm Đình Văn, Phạm Văn Minh (2016), "Thấm qua đập đất đồng chất khi có
khối đắp áp trúc phía hạ lƣu". Tạp chí Tài nguyên nước. ISSN 1859-3771 (2), tr.
5-13.
2. Nguyễn Quốc Dũng, Phạm Đình Văn, Phạm Văn Minh (2016), Phân tích hiệu
quả của nêm cát trong việc hạ thấp đƣờng bão hòa áp dụng cho đập đất Đồng Bể
- Thanh Hóa , Tạp chí Nông Nghiệp và phát triển nông thôn. ISSN 1859-4581
(24), tr. 109-116.
3. Phạm Đình Văn, Trần Văn Nguyên (2016), "Bàn về kết cấu tầng lọc và giải
pháp cải tiến kết cấu tầng lọc trong sửa chữa nâng cấp đập đất vừa và nhỏ", Tạp
chí khoa học và công nghệ thủy lợi, ISSN 1859-4255 (34), tr. 109-116.
4. Nguyễn Quốc Dũng, Phạm Đình Văn, Phạm Văn Minh, Phùng Vĩnh An, Phan
Việt Dũng (2017), Sáng chế “Hệ thống nêm cát thu lọc nƣớc thấm ở hạ lƣu đập
đất”, số đơn 1-2016-02935, Công bố trong công báo số CBA 351 - tháng 6/2017,
ISSN 0868-2534.
5. Phạm Đình Văn (2018), "Nghiên cứu bố trí hợp lý hệ thống nêm cát để xử lý
thấm cho đập đất vừa và nhỏ", Tạp chí Nông Nghiệp và phát triển nông thôn,
ISSN 1859-4255 (19), tr. 107-113.
90
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:
[1] Cục giám định chất lƣợng công trình xây dựng (2013), Thực trạng an toàn đập
và công tác quản lý an toàn đập trên cả nước, Hà Nội.
[2] Ban Quản lý Trung ƣơng các dự án Thuỷ lợi (2015), Công trình sửa chữa,
nâng cấp đảm bảo an toàn hồ chứa nước Đồng Bể xã Xuân Du huyện Như
Thanh, tỉnh Thanh Hoá, Dự án sửa chữa và nâng cao an toàn đập (WB8).
[3] Bùi Quang Cƣờng (2010), Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chỉ tiêu cơ lý
và chất lượng tường hào đất – bentonite, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, trƣờng
đại học Thuỷ lợi, Hà Nội.
[4] Cao Văn Chí, Trịnh Văn Cƣơng (2003), Cơ học đất, NXB Xây dựng, Hà Nội.
[5] Chính phủ (2018), Nghị định 114/2018/NĐ-CP ngày 14/9/2018 của Chính phủ
về Quản lý an toàn đập, hồ chứa nƣớc, Hà Nội.
[6] Đinh Xuân Trọng, Nguyễn Thành Công (2016), “Xử lý thấm qua đập đất hiện
trạng – kiểm soát hay ngăn chặn”, Tạp chí Tài nguyên nước. ISSN 1859-3771
(2), tr. 56-62.
[7] Lê Thị Nhật (2004), Nghiên cứu giải bài toán thấm không gian cho đập vật
liệu địa phương có biên phức tạp. Luận án tiến sĩ, trƣờng Đại học Thủy lợi, Hà
Nội.
[8] Ngô Trí Viềng, Nguyễn Chiến, Nguyễn Văn Mạo, Nguyễn Văn Hạnh, Nguyễn
Cảnh Thái (2004), Thủy công (tập I), Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội.
[9] Nguyễn Cảnh Thái (2015), Giải pháp tường hào bentonite chống thấm thân và
nền đập. Hội thảo KHCN phục vụ dự án WB8, Hà nội.
[10] Nguyễn Chí Thanh và nnk (2011), Báo cáo tổng hợp dự án Điều tra, đánh giá
hiện trạng thấm qua thân đập phục vụ cho an toàn hồ chứa thuộc khu vực
Miền Trung – Tây Nguyên, Hà nội.
[11] Nguyễn Quang Thắng (2010), Nghiên cứu hiệu quả thiết bị chống thấm và
thoát nước thấm của đập vật liệu địa phương, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật,
91
trƣờng đại học Thuỷ lợi, Hà Nội.
[12] Nguyễn Quốc Dũng & nnk (2013), Nghiên cứu giải pháp cấp nước phục vụ
vùng di dân tái định cư thủy điện Sơn La, Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài
cấp Nhà nƣớc, Hà Nội.
[13] Nguyễn Quốc Dũng & nnk (2014), Giải pháp “đập ngầm và hào thu nước để
cấp nước sinh hoạt”. Bằng độc quyền Sáng chế số 12311, Cục Sở hữu trí tuệ.
[14] Nguyễn Quốc Dũng, Phạm Đình Văn, Phạm Văn Minh, Phùng Vĩnh An, Phan
Việt Dũng (2017), Sáng chế “Hệ thống nêm cát thu lọc nƣớc thấm ở hạ lƣu
đập đất”, số đơn 1-2016-02935, Công bố trong công báo số CBA 351 - tháng
6/2017, ISSN 0868-2534.
[15] Nguyễn Quốc Dũng, Vũ Bá Thao (2015), Giới thiệu công nghệ tường tâm
bằng đất đầm nện để chống thấm cho hồ chứa vừa và nhỏ, Hội thảo KHCN
phục vụ dự án WB8, Hà nội.
[16] Nguyễn Xuân Trƣờng (1972), Thiết kế đập đất, Nhà xuất bản khoa học kỹ
thuật, Hà Nội.
[17] Phạm Đình Văn, Phạm Văn Minh (2016), Thấm qua đập đất đồng chất khi có
khối đắp áp trúc phía hạ lƣu . Tạp chí Tài nguyên nước. ISSN 1859-3771 (2),
tr. 5-13.
[18] Phạm Ngọc Quý & nnk (2016), Tiêu chí đánh giá an toàn đập đất. Nhà xuất
bản Xây dựng.
[19] Phạm Văn Quốc (2011), Nghiên cứu dòng thấm không ổn định và tác động
của nó đến ổn định công trình đê có nền cát thông với song. Luận văn Thạc sỹ
kỹ thuật, trƣờng đại học Thuỷ lợi, Hà Nội.
[20] Phan Ngọc Cừ và Tôn Sĩ Kinh (1981), Động lực nước dưới đất. Nhà xuất bản
Đại học và trung học chuyên nghiệp, Thành phố Hồ Chí Minh.
[21] Quy chuẩn Việt Nam (2009), QCVN 02:2009/BYT Quy chuẩn kỹ thuật quốc
gia về chất lƣợng nƣớc sinh hoạt.
[22] Tiêu chuẩn Việt Nam (2009), TCVN 8216: 2009 Tiêu chuẩn thiết kế đập đất
92
đầm nén.
[23] Tiêu chuẩn Việt Nam (2011), TCVN 8422:2010 Công trình thuỷ lợi - Thiết kế
tầng lọc ngƣợc công trình thuỷ công.
[24] Tiêu chuẩn Việt Nam (2011), TCVN 8644:2011 Công trình thuỷ lợi - Yêu cầu
kĩ thuật khoan phụt vữa gia cố đê.
[25] Tiêu chuẩn Việt Nam (2011), TCVN 8645:2011 Công trình thuỷ lợi - Yêu cầu
kĩ thuật khoan phụt xi măng vào nền đá.
[26] Tiêu chuẩn Việt Nam (2011), TCVN 9906: 2014 Công trình thủy lợi - Cọc xi
măng đất thi công theo phƣơng pháp Jet-grouting - Yêu cầu thiết kế, thi công và
nghiệm thu cho xử lý nền đất yếu.
[27] Tiêu chuẩn Việt Nam (2014), TCVN 9903:2014 Công trình thủy lợi - Yêu cầu
thiết kế, thi công và nghiệm thu hạ mực nƣớc ngầm.
[28] Tiêu chuẩn Việt Nam (2018), TCVN 12286: 2018 Công trình cấp nƣớc sinh
hoạt nông thôn – Đập ngầm – Yêu cầu thiết kế, thi công và nghiệm thu.
[29] Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam (2015), Báo cáo dự án đầu tư sử dụng vốn
ODA (vốn vay WB), Đầu tƣ sửa chữa và nâng cao an toàn đập (Dự án
DRaSiP/WB8), Hà Nội.
[30] Nguyễn Thị Ngọc Hƣơng, Trịnh Minh Thụ (2013), Xác định cường độ chống
cắt của đất không bão hòa bằng thí nghiệm cắt trực tiếp, Khoa học kỹ thuật
Thuỷ lợi và Môi trƣờng, số (42), tr. 94-99.
[31] Nguyễn Thị Thanh Nhàn, Nguyễn Thanh “Tính chất cơ lý đất đá và ảnh
hưởng của chúng đến các quá trình dịch chuyển đất đá trên sườn dốc, mái dốc
vùng đồi núi Quảng Trị - Thừa Thiên Huế, Tạp chí Khoa học – Đại học Huế,
số (5), tr. 123-132.
93
Tiếng Anh:
[32] Bin Lincense (2004), SEEP/W, Geoslope International Ltd, Canada.
[33] Casagrande, A. (1940), “Seepage through Dams” Jnl. New England Water
Works Assn., Vol. 51, No. 2, June 1937, also published in “Contributions to
Soil Mechanics, 1925 - 1940”, Boston Society of Civil Engineers, pp. 295 –
336.
[34] Federal Emergency Management Agency (2004), Training aids for Dam safety
evaluation of seepage conditions.
[35] Federal Emergency Management Agency (2005), Technical Manual -
Conduits through Embankment Dams.
[36] Federal Emergency Management Agency (2011), Filters for Embankment
Dams Best Practices for Design and Construction.
[37] MIDAS Information Technology Co., Ltd. (2014), Midas Geotechnical and
Tunnel Analysis System.
[38] U.S Society on Dams (2014). Dams and Extreme Events – Reducing Rick of
Aging Infrastructure under Extreme loading Conditions.
[39] URS Corporation (2010), Chimney Filter/Drain Design and Construction
Considerations, Montana Department of Natural Resources.
94
PHỤ LỤC
PHỤ LỤC 1:
BẢN XÁC NHẬN CỦA NHÓM TÁC GIẢ SÁNG CHẾ
PHỤ LỤC 2:
BẢN CÔNG BỐ BẰNG ĐỘC QUYỀN SÁNG CHẾ
PHỤ LỤC 3:
THỐNG KÊ CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA ĐẬP ĐẤT VỪA VÀ NHỎ
PHỤ LỤC 4:
HÌNH ẢNH CÁC HOẠT ĐỘNG THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH TẠI HIỆN TRƢỜNG
PHỤ LỤC 5:
TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ NÊM CÁT BẰNG PHẦN MỀM MIDAS GTS
95
PHỤ LỤC 1
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CỦA NHÓM TÁC GIẢ SÁNG CHẾ
Kính gửi: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam (Cơ sở đào tạo)
Chúng tôi gồm: Nguyễn Quốc Dũng (VN), Phạm Đình Văn (VN), Phạm Văn
Minh (VN), Phùng Vĩnh An (VN), Phan Việt Dũng (VN) là các tác giả có tên trong Đơn
đăng ký sáng chế “Hệ thống nêm cát thu lọc nƣớc thấm ở hạ lƣu đập đất”, đã đƣợc công
bố đơn số 1-2016-02935 trên Công báo sở hữu công nghiệp số 351, tập A (06.2017),
ISSN 0868-2534.
Bằng văn bản này, chúng tôi xác nhận ông Phạm Đình Văn là ngƣời đã có đóng
góp chính trong việc đề xuất ý tƣởng sáng chế. Sau khi nộp đơn, ông Phạm Đình Văn đã
tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện cơ sở khoa học của giải pháp, bỏ chi phí làm thí nghiệm
trên mô hình thực tế tại đập Đồng Bể (Thanh Hóa). Kết quả đƣợc trình bày trong Luận
án Tiến sĩ “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” tại cơ sở đào tạo Viện Khoa học Thủy lợi
Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu trong Luận án là công sức của riêng ông Phạm Đình
Văn, không xâm phạm quyền sở hữu trí tuệ của bất kỳ ai.
Trân trọng./.
Hà Nội, ngày 10 tháng 04 năm 2018
Các tác giả có tên trong Sáng chế đồng ý cùng ký tên:
Nguyễn Quốc Dũng: Phùng Vĩnh An:
Phạm Văn Minh: Phan Việt Dũng:
96
PHỤ LỤC 2
CÔNG BÁO SỞ HỮU CÔNG NGHIỆP SỐ 351 TẬP A (06.2017)
(11) 52522
(21) 1-2016-02935 (51)7 E02B 11/00
(22) 10.08.2016 (43) 26.06.2017
Ngày yêu cầu thẩm đỉnh nội dung: 10.08.2016
(71) VIỆN THUỶ CÔNG (VN)
Số 3 ngõ 95 phố Chùa Bộc, quận Đống Đa, thành phố Hà Nội
(72) Nguyễn Quốc Dũng (VN), Phạm Đình Văn (VN), Phạm Văn Minh (VN), Phùng
Vĩnh An (VN), Phan Việt Dũng (VN)
(54) HỆ THỐNG NÊM CÁT THU LỌC NƢỚC THẤM Ở HẠ LƢU ĐẬP ĐẤT
(57) Sáng chế đề cập đến hệ thống nêm cát thu lọc nƣớc thấm ở hạ lƣu đập đất, nhằm hạ thấp đƣờng bão hòa, nâng cao ổn định và an toàn đập đất. Hệ thống này gồm nêm cát thu lọc nƣớc bố trí ở hạ lƣu đập đất, đƣợc cấu tạo bằng lớp cát lọc hạt thô dày tối thiểu l m, chiều cao từ đáy đập đến độ cao đƣờng bão hòa xuất hiện trên mái hạ lƣu. Đáy lớp cát đặt băng thu nƣớc khía rãnh gắn trên ống PVC. Ống PVC này đƣợc nối với ống dẫn để đƣa nƣớc thấm ra khỏi đập. Phía trên băng thu nƣớc sẽ đƣợc tiến hành đắp từng lớp cát có chiều dày 30 cm, đồng thời với việc lấp đất vào rãnh và đầm chặt cho đến khi lên đến đỉnh. Đập đất bị thấm có thể đƣợc xử lý bằng nhiều nêm cát nhƣ trên. Ƣu điểm của hệ thống nêm cát thu lọc nƣớc là đơn giản, dễ thi công, chất lƣợng lọc tốt hơn và giảm thiểu tắc nghẽn so với ống đục lỗ. Nó phù hợp cho cả đập đất xây mới và đặc biệt phù hợp với đập đất đang bị thấm thân đập.
47
97
PHỤ LỤC 3
THỐNG KÊ CÁC THÔNG SỐ CHÍNH CỦA ĐẬP ĐẤT VỪA VÀ NHỎ
TT
Tên đập
Cấp
MNDBT
Chiều cao
Lớp đất nền đập
c (kN/m2)
(độ)
Lớp đất thân đập
Hệ số thấm nền đập
Hệ số mái hạ lƣu
tn thân đập (kN/m3)
tn nền đập (kN/m3)
Hệ số thấm thân đập
Hệ số mái thƣợng lƣu
III
Suối Đá
1
1
2
17.58
18.45 3.40E-06 4.50E-04
2.8-3.2
2.5-3.3
8.85
857.80
16.75
0.29
III
Đắk R'La
2
1
2
Basalt
Basalt
10.70
580.30
17.5
0.27
18.43 2.97E-05
3.00
3.00
III
Thuận An
3
1
1
Basalt
Basalt
11.70
701.45
17
0.26
17.12 4.34E-06
3.00
3.00
IV
Đắk Loou
4
1
1
Basalt
Basalt
7.50
740.20
17.3
0.28
17.90 5.73E-06
NA
NA
III
Bi Zê Rê
5
1
2
10.00
807.50
19.3
19.5
0.27
14.52 3.88E-04 9.50E-04
3.00
3.00
IV
Ông Hiên
6
1
1
6.50
723.20
15.9
16
0.20
16.10 4.26E-05 3.35E-05
2.50
2.00
IV
Ông Truyền
7
1
1
5.00
736.50
15.9
16
0.20
16.10 4.26E-05 3.35E-05
2.50
2.00
III
Đắk Bliêng
8
1
1
8.00
690.00
16.8
16
0.22
14.63 2.16E-04 6.07E-05
3.00
3.00
III
Sa Đa Cô
9
1
1
8.00
493.50
16.8
16.7
0.22
16.97 4.13E-05 3.86E-05
2.50
2.50
III
Nao Ma A
10
1
2
12.00
741.50
19.1
19.6
0.29
15.07 1.54E-04 3.05E-04
3.00
3.00
IV
Đắk Ken
11
1
1
5.00
683.00
19
19
0.29
13.93 4.14E-04 4.14E-04
2.50
2.50
III
Km 41
12
1
2
8.30
765.40
0.29
18.02
17.82
18.45 4.50E-06 4.00E-06
2.5-3.5
2.6-3.4
IV
Ba Trong
13
1
2
6.23
781.65
17.9
17.6
0.30
19.05 3.50E-06 5.20E-06
2.75-3.0
2.5-3
III
Thôn 7
14
1
2
14.20
833.00
16.7
16.2
0.21
16.60 8.77E-05 1.02E-04
2.50
1.50
IV
Thôn 3
15
1
1
5.00
665.00
19.3
19.3
0.28
13.07 2.49E-06 1.78E-06
2.75
2.75
III
Đắk R'Lon
16
1
2
10.60
835.60
16.9
17.6
0.23
16.95 6.04E-05 4.24E-05
3.00
2.75
III
Đắk Ha
17
1
2
14.00
793.40
16.1
16.1
0.20
15.50 3.44E-05 1.20E-05
3.00
2.75-3
III
Đắk Snao 1
18
1
2
9.00
776.70
16.9
16.9
0.20
15.43 6.48E-05 5.83E-05
3.00
2.75-3.5
IV
Cán Cấu
19
2
2
12.05
1125.15
18.5
18.35
0.16
10.00 2.21E-06 1.40E-06
2.00
2.00
IV
Tả Xín
20
2
2
8.00
107.10
27.1
18.8
0.26
12.60 2.50E-06 2.00E-05
1.00
1.50
IV
Phong Niên
21
1
3
5.50
141.00
18.3
18.3
0.16
1.00
9.33 7.67E-08 4.60E-08
1-1.5
98
TT
Tên đập
Cấp
MNDBT
Chiều cao
Lớp đất nền đập
c (kN/m2)
(độ)
Lớp đất thân đập
Hệ số thấm nền đập
Hệ số mái hạ lƣu
tn thân đập (kN/m3)
tn nền đập (kN/m3)
Hệ số thấm thân đập
Hệ số mái thƣợng lƣu
IV
Phú Nhuận
22
1
2
7.00
98.18
17.7
18.5
0.23
10.06 7.00E-08 3.05E-06
2.00
2.00
IV
23
1
2
7.00E-08 3.05E-06
3.00
98.18
17.7
18.5
0.23
10.06
2.00
2.00
Phú Nhuận 1
IV
24
7.00E-08 3.05E-06
3.00
98.18
1
2
17.7
18.5
0.23
10.06
1.5-2.0
1.50
Phú Nhuận 2
IV
25
7.00E-08 3.05E-06
Phú Nhuận 3
7.47
98.18
1
2
18.5
0.23
10.06
2.3-2.5
1.8-2.0
17.7
III
Phố Ràng
26
1
2
10.20
82.70
18.3
0.23
0.26 8.80E-05 8.38E-05
2.00
2.00
18.5
IV
Sung Lảng
27
1
1
6.90
178.00
18.5
0.18
18.10 2.64E-07 2.65E-07
2.20
2.00
18.4
III
Tân An
28
1
1
13.06
73.30
14.8
0.23
20.55 4.60E-07 5.70E-06
2.0-2.25
3.00
17.1
IV
Rộc Độm
29
41.80
1.0-3.0
1.75
IV
Đồng Đa
30
98.60
0.8-3.0
1.75-2.8
IV
Cành
31
34.90
2.7-2.9
0.8-2.8
IV
Bùi
32
44.20
0.5-3.8
1.50
IV
Suối Chỏi
33
92.40
II
Mền 2
34
1
1
18.58
55.50
19.1
0.48
16.48 3.50E-05 5.50E-04
3.00
3.00
17.5
III
Rộc Kháo
35
1
2
8.60
62.50
19
0.41
19.62 3.40E-05 4.90E-04
2.50
2.50
17.5
III
Hói Kha
36
1
1
10.50
111.10
19.1
0.42
19.15 3.40E-05 4.10E-04
2.50
2.50
17.5
III
Đồng Bến
37
1
1
14.60
52.00
19.5
0.40
19.62 3.40E-05 2.00E-04
2.00
2.00
17.5
III
Mền 1
38
1
1
15.00
50.80
19
0.43
19.47 3.40E-05 5.00E-04
3.00
2.75
17.5
III
Cha Chạm
39
1
5
6.30E-05 3.90E-05
10.00
18.69
1.11- 2.68
0.74- 4.11
19.3
18.1
0.22
17.27
III
Bƣợm
40
1
5
4.60E-05 3.10E-05
11.80
15.77
2.14- 3.19
2.29- 3.36
20
20.3
0.20
17.05
III
Khe Tráng
41
1
7
4.30E-05 2.10E-05
13.00
17.96
2.08- 4.24
1.86- 2.91
19.64
0.20
16.77
20
III
Ba Khe
42
1
4
10.00
17.83
19.1
0.18
16.18 7.20E-05 9.20E-05
1.8-2.7
19.4
2.05-
99
TT
Tên đập
Cấp
MNDBT
Chiều cao
Lớp đất nền đập
c (kN/m2)
(độ)
Lớp đất thân đập
Hệ số thấm nền đập
Hệ số mái hạ lƣu
tn thân đập (kN/m3)
tn nền đập (kN/m3)
Hệ số thấm thân đập
Hệ số mái thƣợng lƣu
3.93
4
6.10E-05 8.10E-05
III
Nƣớc Xanh
43
1
19.4
16.38
19.1
0.22
10.60
23.54
2.75- 3.25
2.25- 2.50
6
III
Ha Tĩnh
44
1
20.5
15.87 2.70E-05 6.70E-05
2.5-2.75
2.0-2.5
20.3
0.18
12.00
11.75
7
IV
Cu Lây
45
1
19.6
18.5
0.17
16.03 2.50E-05 4.80E-05
2.50
3.25
13.70
22.40
1
IV
Trƣớc Đông
46
1
18.2
18.2
0.36
24.00 1.04E-06 1.04E-06
3.00
3.00
9.30
900.00
1
V
Hóc Khế
47
1
20.4
20.4
0.30
33.50 1.26E-06 1.26E-06
3.00
3.00
7.60
553.00
1
IV
Hố Cau
48
1
18
18
0.34
30.25 1.20E-06 1.20E-06
3.00
3.00
10.30
495.00
1
IV
Hố Gáo
49
1
20
20
0.31
34.92 1.29E-06 1.29E-06
3.00
3.00
9.00
854.00
1
V
Đồng Tréo
50
1
20.1
20.1
35.50 1.15E-06 1.15E-06
3.0-3.5
0.31
3.00
6.00
550.00
1
1.04E-06 1.04E-06
V
51
1
18.2
18.2
0.36
24.00
3.00
3.00
4.00
240.00
Trƣờng Loan
1
III
Xum Lo
52
1
18.1
18.6
0.23
18.20 5.00E-07 4.80E-07
1.75
1.50
9.00
719.05
1
IV
Huổi Nhả
53
1
18
18.2
0.23
16.93 5.00E-07 4.50E-07
1.50
1.50
5.00
1097.96
1
III
Bản Củ 1
54
1
18.4
18.7
0.23
18.20 5.00E-07 4.50E-07
2.36
2.36
8.40
853.40
1
III
Bản Củ 2
55
1
18.4
18.7
0.23
18.20 5.00E-07 4.50E-07
2.36
2.36
13.50
769.90
1
IV
Xa Căn
56
1
18.1
18.6
0.22
17.98 4.70E-07 4.50E-07
2.05
2.48
5.60
548.76
1
IV
Bản Ỏ
57
1
18
18.5
0.13
17.42 4.90E-07 4.70E-07
2.75
2.75
7.00
557.67
1
III
Nà Bó
58
1
18
18.4
0.23
17.75 4.70E-07 4.60E-07
2.75
2.75
10.00
739.59
1
III
Nà Bó phụ
59
1
18.2
18.5
0.23
17.62 4.50E-07 4.50E-07
2.75
2.75
6.00
739.59
1
III
Huổi Cánh
60
1
19.8
19
0.26
18.73 4.14E-04 2.00E-05
3.00
3.00
22.50
524.40
1
III
Huổi Bẻ
61
2
19.9
18.1
0.24
23.79 5.00E-05 5.90E-03
2.75
3.00
34.00
537.20
III
Huổi Trạng
62
19.5
1
19.7
0.21
15.01 5.00E-05 2.10E-03
3.00
3.00
29.90
547.70
4
1
2.50E-06 5.02E-05
III
63
1
18.8
17.4
0.30
24.80
3.00
3.25
Loong Luông
29.00
1022.10
1
III
Nậm Xả
64
3
19.21
19.5
0.26
18.82 5.00E-04 5.50E-03
3.00
3.00
29.90
619.40
100
TT
Tên đập
Cấp
MNDBT
Chiều cao
Lớp đất nền đập
c (kN/m2)
(độ)
Lớp đất thân đập
Hệ số thấm nền đập
Hệ số mái hạ lƣu
tn thân đập (kN/m3)
tn nền đập (kN/m3)
Hệ số thấm thân đập
Hệ số mái thƣợng lƣu
1
III
65
Nậm Ngam
3
18.4
29.00
1140.66
17.8
2.83
24.47 5.20E-06 2.07E-05
3.00
3.00
1
III
66
Đồng Mỏ
5
19.8
29.20
69.40
16.2
0.31
21.26 5.00E-04 6.00E-04
3.00
3.00
1
III
67
2
2.15E-06 6.10E-05
19.03
Diên Trƣờng
21.10
18.70
18.7
0.21
20.12
3.00
3.00
1
III
68
Hàm Lợn
1
21.4
13.00
48.00
18.3
0.20
18.00 2.50E-04 3.86E-03
3.00
3.00
1
IV
69
Ea Uy
1
18.2
6.00
484.80
18.5
0.23
17.62 4.50E-07 4.50E-07
3.00
2.75
1
IV
70
1
4.14E-04 2.00E-05
19.8
Buôn Dung II
22.50
522.80
19
0.26
18.73
3.00
2.75
1
IV
71
Ea Blong
1
19.9
34.00
498.20
18.1
0.24
23.79 5.00E-05 5.90E-03
3.00
2.75
1
IV
72
Ea Kmien 3
1
19.5
29.90
532.00
19.7
0.21
15.01 5.00E-05 2.10E-03
2.75
2.50
1
IV
73
Ea Brơ 2
1
18.8
29.00
577.80
17.4
0.30
24.80 2.50E-06 5.02E-05
3.00
2.75
1
III
74
Ea Nao Dar
1
19.21
29.90
659.00
19.5
0.26
18.82 5.00E-04 5.50E-03
3.00
2.75
1
IV
75
Ea Ngách
1
18.4
29.00
588.00
17.8
2.83
24.47 5.20E-06 2.07E-05
2.75
2.75
1
IV
76
C19
1
19.8
29.20
495.00
16.2
0.31
21.26 5.00E-04 6.00E-04
3.00
2.75
1
III
77
725
1
19.03
21.10
474.60
18.7
0.21
20.12 2.15E-06 6.10E-05
3.25
2.75
1
IV
78
Đội 11
1
21.4
13.00
477.90
18.3
0.20
18.00 2.50E-04 3.86E-03
2.75
2.75
2
II
79
Nà Pàn
1
19
29.37
320.60
18.8
0.21
17.52 1.14E-05 6.10E-06
2.50
2.50
2
IV
80
Rọ Dóoc
1
19.2
13.70
379.40
18.8
0.29
17.08 8.19E-06 1.17E-05
2.50
2.50
2
IV
81
Hố Lở
1
18.9
10.70
26.20
18.5
0.32
18.07 2.04E-07 8.19E-06
2.75
2.75
2
IV
1
19.5
82 Nà Kiến
10.00
85.10
19.3
0.22
15.37 1.30E-05 5.40E-06
2.50
2.00
2
III
1
18.9
83 Khuổi Sung
20.00
383.90
21
0.20
12.08 4.50E-05 8.70E-06
3.00
2.50
2
III
1
18.9
84 Khuổi Dày
18.00
382.80
21
0.20
12.08 4.50E-05 8.10E-06
3.00
2.50
2
III
1
18.8
85 Khuổi Dâng
18.00
209.80
21
0.21
3.25
16.60 4.20E-05 8.10E-06
2.5-2.75
2
III
472.19
1
18.9
86 Nà Lẹng 1
12.00
19
0.22
18.03 3.20E-05 3.80E-08
2.50
2.50
2
III
472.19
1
18.9
87 Nà Lẹng 2
14.00
19
0.22
18.03 3.20E-05 3.80E-08
2.50
2.50
2
III
472.19
1
88 Nà Lẹng 3
15.00
19
0.22
18.03 3.20E-05 3.80E-08
2.50
2.50
18.9
101
TT
Tên đập
Cấp
MNDBT
Lớp đất nền đập
c (kN/m2)
Chiều cao
(độ)
Lớp đất thân đập
Hệ số thấm nền đập
Hệ số mái hạ lƣu
tn thân đập (kN/m3)
tn nền đập (kN/m3)
Hệ số thấm thân đập
III
429.45
1
2
Hệ số mái thƣợng lƣu 2.5
2.5
89 Mạy Đẩy
18.00
19
0.22
16.23 2.20E-04 3.50E-08
19.1
III
339.86
1
2
2
2
22.00
18.6
0.22
18.6
90 Cốc Thông Lách Bƣởi 91
III
14.70
40
1
2
18.6
0.18
17.33 1.80E-05 4.20E-08 15.00 6.50E-06 2.52E-05
3
2.75
18.9
92
Suối Hành
III
26.00
32.25
1
0.20
8.00 6.00E-05 2.30E-03
3.5
3.5
16.5
93
Suối Trầu
III
19.60
22.5
1
0.15
18.00 2.00E-05
3
2.75
175
94 Yên Lập
II
37
29.5
1
0.07
17 1.00E-04
3
2.75
16.3
95 Cà Giây
III
25.4
74.7
2
0.21
14.22
1.29E-05
3
2.75
16.2
10.5
2
39.4
1
2
0.22
16.5
2.00E-04 1.90E-07
2.75
96 Đồng Bể
III
19.5
19.3
102
PHỤ LỤC 4
HÌNH ẢNH CÁC HOẠT ĐỘNG THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH TẠI HIỆN RƢỜNG
1. Lựa chọn vị trí và xây dựng Mô hình thí nghiệm vật lý
Nghiên cứu sinh đã tiến hành tổ chức thi công lắp đặt thực tế tại hiện trƣờng tại hồ chứa nƣớc Đồng Bể - Thanh Hoá từ ngày 2/6/2016 đến ngày 5/6/2016. Quá trình lắp đặt các thiết bị thí nghiệm nhƣ sau:
Lựa chọn vị trí
b, a, Hình 1. Đi thực địa lựa chọn vị trí thử nghiệm
Chuẩn bị vật tư và thiết bị phục vụ thi công Mô hình
Hình 2. Chuẩn bị thi công tại công Hình 3. Máy xúc đất
trình
Hình 4. Phổ biến công việc Hình 5. Thiết bị thu nƣớc
103
a, b,
Hình 6. Thiết bị phụ trợ cho hệ thống thoát nƣớc
Hình 7. Ống lọc quan trắc mực nƣớc Hình 8. Sàng loại bỏ cát mịn phục vụ
ngầm cho thi công Mô hình
2. Quá trình thi công
2.1. Khoan giếng quan trắc mực nước ngầm
Hình 9. Khoan giếng quan trắc
Khoan lắp đặt hệ thống giếng quan trắc đƣợc thực hiện tại 03 vị trí. Giếng quan trắc T1 nằm cách hào thu thứ hai khoảng 3,5m về phía thƣơng lƣu (mái đập cũ), giếng
104
quan trắc thứ T2 nằm cách giếng quan trắc thứ nhất 2.2m và giếng quan trắc T3 nằm cách giếng quan trắc T2 10,0m. Quá trình thi công kết cấu giếng quan trắc đƣợc thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 8869:2011. Quá trình khoan, kết cấu giếng đƣợc thực hiện nhƣ sau:
Hình 10. Thổi rửa giếng trƣớc khi thả ống Hình 11. Đổ cát sạch
quan trắc
Hình 13. Xây hộp bảo vệ hệ thống giếng quan
Hình 12. Rút ống chống sau khi lắp đặt xong giếng quan trắc trắc
2.2. Đào rãnh (hào) lắp đặt thiết bị thoát nước mái đập
Các rãnh (hào) đƣợc định vị tại hiện trƣờng (bằng máy trắc địa), tiến hành đóng cọc
dọc theo tim tuyến đào. Quá trình đào rãnh (hào) đƣợc tiến hành nhƣ sau:
105
Hình 15. Tiến hành đào mái đắp áp
Hình 14. Nƣớc xuất hiện cách mặt mái hạ lƣu 0.7 m tại phần thân đập cũ trúc
Hình 16. Phần đắp áp trúc mới không thấy xuất hiện nƣớc thấm ở độ sâu 2.4m
Hình 17. Sau khoảng 2 giờ đồng hồ, nƣớc bắt đầu rò rỉ ở phần vách hố đào (phần tiếp giáp đập mới đập cũ) cách mặt cơ khoảng 1,2 m
Hình 18. Hoàn thành việc đào rãnh
106
3. Công tác lấy mẫu
Quá trình lấy mẫu đất nguyên dạng đƣợc tiến hành đồng thời với quá trình đào rãnh (hào), đất đƣợc lấy bằng cách ép ống mẫu đƣờng kính 75 mm vào đất. Mẫu đất đƣợc lấy tại phần mái đập cũ và phần đắp áp trúc. Đối với mẫu cát sau khi đầm chặt trong nêm thu nƣớc tiến hành lấy mẫu xác định khối lƣợng thể tích khô bằng cách đóng dao vòng.
Hình 19. Lấy mẫu đất ở phần đập cũ Hình 20. Lấy mẫu đất ở phần đắp áp trúc
3.1. Lắp đặt thiết bị thoát nước và hoàn trả mặt bằng
Kết thúc quá trình đào rãnh, tiến hành đổ cát (loại bỏ phần hạt mịn) vào trong rãnh (hào đào). Đầm chặt cát, khi lớp cát đạt độ chặt theo yêu cầu, tiến hành lắp đặt băng Waterbelt.
Hình 21. Lắp đặt băng thu nƣớc
Hình 22. Kiểm tra chình sửa phần mái dốc đặt băng thu nƣớc
107
Hình 23. Kết thúc quá trình lắp băng và hệ thống ống thoát nƣớc Hình 24. Đổ cát, đầm chặt và tạo mái hoàn thiện kết cấu thoát nƣớc
Hình 25. Đổ đất lu lèn hoàn trả mặt bằng Hình 26. Lắp đặt van khoá hệ thống đầu ra phục vụ cho quá trình thí nghiệm
Hình 27. Hệ thống thu nƣớc đã hoạt động Hình 28. Đào hố xây hộp bảo vệ hệ thống
sau 12h lắp đặt thoát nƣớc
108
Hình 29. Xây hộp bảo vệ Hình 30. Hoàn thiện hệ thống hộp bảo vệ
3.2. Xác định cao độ quan trắc
Sử dụng máy thuỷ bình dẫn cao độ tại các mốc chuẩn tại đập về 02 vị trí gần khu vực xây dựng Mô hình. Từ các mốc này sử dụng máy thuỷ bình xác định cao độ các giếng quan trắc.
Hình 31. Dẫn cao độ từ mốc chuẩn về mốc X1, X2 Hình 32. Xây mốc cao độ chuẩn
4. Hình ảnh sau khi thi công xong nêm cát
Hình 33. Bảo vệ giếng quan trắc mực nƣớc
Hình 34. Bảo vệ van điều chình
109
5. Hình ảnh quan trắc
Hình 35. Hình ảnh quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng
6. Kết luận
- Quá trình thi công lắp đặt mô hình đa phần đƣợc thực hiện theo đề cƣơng thiết kế. Chỉ có một số điểm khác là khoảng cách giữa các giếng quan trắc. Khoảng cách giữa giếng quan trắc T1 và T2 lệch so với thiết kế +20 cm và khoảng cách giữa giếng T3 lệch so với thiết kế +2.8 m.
- Quá trình lắp đặt và hoàn thiện hệ thống thu nƣớc tốt. Sau khi lắp đặt và hoàn
thiện hệ thống đã bắt đầu hoạt động, nƣớc bắt đầu xuất hiện tại đầu ra.
- Đã xây dựng hộp bảo vệ hệ thống quan trắc và hệ thống van thoát nƣớc.
- Hiện tại mới để các đầu chờ chƣa tiến hành lắp đồng hồ nƣớc (do sợ ngƣời dân
phá hỏng).
- Đã tiến hành lấy mẫu đất và cát đem về phòng thí nghiệm.
- Việc hoàn thiện lại một số chi tiết tại Mô hình thử nghiệm nhƣ: đổ nắp bảo vệ hệ thống van ra, khơi thông, xây lại phần rãnh thoát nƣớc, trồng cỏ sẽ do đơn vị thi công thực hiện.
110
PHỤ LỤC 5
TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ NÊM CÁT BẰNG PHẦN MỀM MIDAS GTS
1. Hiệu quả của nêm cát thu lọc nƣớc thấm tại đập đồng bể
1.1 Giới thiệu chung
1.1.1 Vị trí lựa chọn tính toán
a. Mặt bằng vị trí tính toán
Hình 1. Mặt bằng vị trí tính toán
b. Mặt cắt vị trí tính toán
Hình 2.
Mặt cắt ngang đập Đồng Bể sau khi lắp đặt nêm cát
1.1.2 Tài liệu địa chất
Tài liệu địa chất sử dụng để tính toán cho mặt cắt đập có các lớp đất đƣợc sắp xếp từ trên xuống dƣới nhƣ sau: Lớp 1: Sét pha lẫn nhiều sạn sỏi màu nâu đỏ, nâu vàng, trạng thái cứng; Lớp 2: Sét pha lẫn sạn sỏi màu nâu vàng, nâu xám, trạng thái dẻo cứng; Lớp 3: Dăm cuội sỏi lẫn sét pha màu xám trắng, nâu xám, xám xanh, kết cấu chặt vừa đến chặt.
111
Vật liệu
c (KN/m2)
E (KN/m2)
w (KN/m3)
(độ)
19.3
Lớp 1
16.5
22.1
0.3
9000
18.8
Lớp 2
13.5
22.3
0.3
12000
19.5
Lớp 3
18.2
22.7
0.3
15000
19.3
Khối áp trúc
18.2
22.2
0.3
15000
21.0
Lăng trụ
38.0
0
0.28
50000
16.5
Cát lọc
30.0
0
0.3
30000
Băng lọc
K (m/s) 2.00x10-6 1.78x10-6 1.90x10-7 1.00x10-7 5.00x10-3 1.00x10-4 1.50x10-3
Bảng 1. Chỉ tiêu cơ lý của đất
1.2 Diễn biến thấm trong quá trình đào rãnh thi công nêm cát
1.2.1 Xây dựng mô hình
Xây dựng mô hình toán 3D tại vị trí nghiên cứu để kiểm chứng với kết quả thực tế. Mô hình đƣợc xây dựng có kích thƣớc chiều cao là 25 m , chiều dài là 85 m, chiều rộng là 30 m. Mực nƣớc thƣợng lƣu lấy bằng mực nƣớc hồ tại thời điểm đào rãnh là + 36.50 m, mực nƣớc hạ lƣu lấy bằng mặt nền hiện trạng. Mô hình tính toán 3D nhƣ Hình 3.
Hình 3. Mô hình tính toán 3D
112
1.2.2 Trình tự tính toán
Chạy bài toán ứng suất ban đầu;
Chạy bài toán thấm;
Đào rãnh;
Xuất kết quả tính toán.
1.2.3 Kết quả tính toán
a) Đường bão hoà
Hình 4. Đƣờng bão hoà
b) Gradient thấm
Hình 5. Gradient thấm
113
Hình 6. Mặt cắt qua đỉnh rãnh đào
1.3 So sánh quả giữa mô hình vật lý và mô hình toán
1.3.1 Xây dựng mô hình
a) Xây dựng nêm cát
Hình 7. Mô hình băng lọc
Hình 8. Chia phần tử băng lọc
114
Hình 9. Mô hình nêm cát
b) Xây dựng mô hình đập
Hình 10. Mô hình tính toán 3D
1.3.2 Trình tự tính toán
Chạy bài toán ứng suất ban đầu;
Chạy bài toán thấm;
Xuất kết quả tính toán.
115
1.3.3 Kết quả tính toán
a) Đường bão hoà
Hình 11. Đƣờng bão hoà
Hình 12. Mặt cắt qua đỉnh nêm
Hình 13. Đƣờng bão hoà tại các mặt cắt
116
b)
Gradient thấm
Hình 14. Gradient thấm
Hình 15. Mặt cắt qua đỉnh nêm
c) Khả năng thu nước của nêm cát
Hình 16. Khả năng thu nƣớc của băng lọc
117
Hình 17. Khả năng thu nƣớc của băng lọc
Hình 18. Khả năng thu nƣớc của nêm cát
118
Hình 19.
Khả năng thu nƣớc của nêm cát
1.3.4 So sánh quả giữa mô hình vật lý và mô hình toán
Kết quả tính toán đƣờng bão hoà trên mô hình Midas 3D đƣợc so sánh với với kết
quả quan trắc thực tế trên mô hình vật lý, đƣợc thể hiện từ Hình 20 đến Hình 23.
Hình 20.
So sánh kết quả đo đạc thực tế và tính toán, MNTL = +36,80 m
Hình 21. So sánh kết quả đo đạc thực tế và tính toán, MNTL = +38,20 m
119
Hình 22. So sánh kết quả đo đạc thực tế và tính toán, MNTL = +39,05 m
Chú thích:
- ĐBH-HT là ký hiệu đường bão hòa hiện trạng, tính toán cho mặt cắt qua giếng T3, điểm
ra tính toán sẽ được so sánh với số đọc h3;
- ĐBH-N2 là ký hiệu đường bão hòa tính toán cho mặt cắt qua nêm cát N2, điểm ra tính
toán sẽ được so sánh với số đọc h1;
- ĐBH-N23 là ký hiệu đường bão hòa tính toán cho mặt cắt chính giữa hai nêm cát N2 và
N3, điểm ra tính toán sẽ được so sánh với số đọc h2;
- So sánh h3 , h2 , h2‟ ta sẽ dựng lên được hình ảnh phễu hạ thấp mực nước do ảnh hưởng
của nêm cát trên cùng mặt phẳng đi qua các giếng đo - theo chiều dọc đập.
Hình 23. So sánh kết quả đo đạc thực tế và tính toán, MNTL = +39,70 m
120
2. Bố trí hợp lý nêm cát để xử lý thấm
2.1 Giới thiệu chung
2.1.1 Lựa chọn mặt cắt tính toán
Luận án lựa chọn đập đất đồng chất chiều cao H = 15 m (đập vừa và nhỏ) để xác định đƣờng bão hòa trong thân đập ứng với các hệ số thấm của thân và nền đập thay đổi. Tìm đƣờng giới hạn trên bằng cách cố định hệ số thấm của nền ứng với đƣờng bão hòa nằm cao nhất, thay đổi hệ số thấm của thân đập sao cho hệ ổn định Kminmin = [K]cp; Tìm đƣờng giới hạn dƣới bằng cách cố định hệ số thấm của nền ứng với đƣờng bão hòa nằm cao nhất, thay đổi hệ số thấm của thân đập sao cho hệ ổn định Kminmin = 1.2x[K]cp. Sau khi lựa chọn đƣợc hệ số thấm tƣơng ứng với vị trí đƣờng bão hoà nằm cao hơn đƣờng bão hoà giới hạn trên sẽ dùng chúng để tính toán cho các trƣờng hợp: (1) Xác định hệ số ổn định, đƣờng bão hoà và gradient thấm của mái đào ứng với các bƣớc đào thay đổi từ 20 m, 10 m, 5 m, 1 m, so sánh với trƣờng hợp chƣa đào để tìm ra khoảng cách hợp lý; (2) Xác định khả năng thu thoát nƣớc của nêm cát và độ vồng đƣờng bão hòa cho các trƣờng hợp các khoảng cách nêm khác nhau từ 3 m, 4 m, 5 m.
a) Mặt cắt vị trí tính toán
Hình 24. Sơ đồ mặt cắt ngang tính thấm và ổn định đập
Hình 25. Sơ đồ mặt cắt ngang tính thấm khi lắp đặt nêm cát
121
b) Tài liệu địa chất
Hệ số thấm của thân và nền đập giả thiết để tìm ra đƣờng bão hoà nằm cao hơn đƣờng bão hoà giới hạn trên, Bảng 2. Tài liệu địa chất sử dụng để tính toán cho mặt cắt đập có các lớp đất đƣợc sắp xếp từ trên xuống dƣới nhƣ Bảng 3.
Trƣờng hợp
Trƣờng hợp
Kđ (m/s)
Kn (m/s)
Kđ (m/s)
Kn (m/s)
TH1
1x10-7
TH5
1x10-7
TH2
5x10-7
TH6
5x10-7
Bảng 2. Hệ số thấm của thân và nền đập
TH3
1x10-6
TH7
1x10-6
TH4
5x10-6
TH8
5x10-6
1x10-8 5x10-8
K
Vật liệu
c (kN/m2)
(m/s)
E (kN/m2)
w (kN/m3)
(độ)
Thân đập
18.8
18.0
16.0
5.0x10-6
0.31
10000
Nền đập
19.0
20.0
18.0
1.0x10-8
0.3
12000
Nêm cát
16.5
30.0
0.0
1.0x10-4
0.3
30000
Băng lọc
1.5x10-3
Bảng 3. Chỉ tiêu cơ lý của đập và vật liệu
2.2 Xác định đƣờng bão hòa giới hạn
2.2.1 Xây dựng mô hình
Xây dựng mô hình toán 2D tại vị trí nghiên cứu để kiểm chứng với kết quả thực tế. Mô hình đƣợc xây dựng có kích thƣớc chiều cao là 25 m , chiều dài là 85 m. Mực nƣớc thƣợng lƣu lấy bằng mực nƣớc hồ tại thời điểm đào rãnh là + 13.5 m, hạ lƣu không có nƣớc. Mô hình tính toán 2D nhƣ Hình 26.
Hình 26. Mô hình tính toán 2D
122
3.2.2 Trình tự tính toán
Chạy bài toán ứng suất ban đầu;
Chạy bài toán thấm;
Xuất kết quả tính toán.
3.2.3 Kết quả tính toán
a) Đường bão hoà
Hình 27. Đƣờng bão hoà
b) Gradient thấm
Hình 28. Gradient thấm
c) Ổn định mái hạ lưu
Hình 29. Ổn định mái hạ lƣu
2.3 Thi công đào rãnh lắp đặt nêm cát
2.3.1 Xây dựng mô hình
Xây dựng mô hình toán 3D tại vị trí nghiên cứu để kiểm chứng với kết quả thực tế. Mô hình đƣợc xây dựng có kích thƣớc chiều cao là 25 m, chiều dài là 85 m, chiều rộng mô hình là 60 m. Mực nƣớc thƣợng lƣu lấy bằng mực nƣớc hồ tại thời điểm đào rãnh là + 13.5 m, hạ lƣu không có nƣớc. Mô hình tính toán 3D nhƣ Hình 30.
123
Hình 30. Mô hình tính toán 3D
2.3.2 Trình tự tính toán
Chạy bài toán ứng suất ban đầu;
Chạy bài toán thấm;
Đào rãnh;
Xuất kết quả tính toán.
2.3.3 Kết quả tính toán
a) Đường bão hoà
Hình 31. Đƣờng bão hoà
124
b)
Gradient thấm
Hình 32. Gradient thấm
c) Tính toán ổn định mái đào
Đào rãnh dài 20 m
Hình 33. Ổn định mái đào
125
Hình 34. Xu hƣớng mất ổn định mái đào
Đào rãnh dài 10 m
Hình 35. Ổn định mái đào
Hình 36. Xu hƣớng mất ổn định mái đào
126
Đào rãnh dài 5 m
Hình 37. Ổn định mái đào
Hình 38. Xu hƣớng mất ổn định mái đào
Đào rãnh dài 1 m
Hình 39. Xu hƣớng mất ổn định mái đào
127
Hình 40. Ổn định mái đào
Không đào
Hình 41. Ổn định mái đào
Hình 42. Xu hƣớng mất ổn định mái đào
128
2.4 Ảnh hƣởng khoảng cách nêm cát đến hiệu quả hạ thấp đƣờng bão hoà
2.4.1 Xây dựng mô hình
Xây dựng mô hình toán 3D tại vị trí nghiên cứu để kiểm chứng với kết quả thực tế. Mô hình đƣợc xây dựng có kích thƣớc chiều cao là 25 m, chiều dài là 85 m, chiều rộng mô hình là 60 m. Mực nƣớc thƣợng lƣu lấy bằng mực nƣớc hồ tại thời điểm đào rãnh là + 13.5 m, hạ lƣu không có nƣớc. Mô hình tính toán 3D nhƣ Hình 43.
Mô hình tính toán 3D Hình 43.
2.4.2 Trình tự tính toán
Chạy bài toán ứng suất ban đầu;
Chạy bài toán thấm;
Xuất kết quả tính toán.
2.4.3 Kết quả tính toán
Khoảng cách nêm cát là 3 m
a) Đường bão hoà
Hình 44. Đƣờng bão hoà tại mặt cắt qua đỉnh nêm
129
Hình 45.
Mặt bằng hút nƣớc của nêm cát
b) Gradient thấm
Hình 46. Gradient thấm
a) Khoảng cách nêm cát là 4 m
c) Đường bão hoà
Hình 47. Đƣờng bão hoà tại mặt cắt qua đỉnh nêm
130
Mặt bằng hút nƣớc của nêm cát Hình 48.
d) Gradient thấm
Hình 49. Gradient thấm
Khoảng cách nêm cát là 5 m
e) Đường bão hoà
Hình 50. Đƣờng bão hoà tại mặt cắt qua đỉnh nêm
131
Mặt bằng hút nƣớc của nêm cát Hình 51.
f) Gradient thấm
Hình 52. Gradient thấm
