Tài liệu Nghiên cứu đề xuất giải pháp sửa chữa đập đất hồ chứa nước đập làng, tỉnh quảng ngãi

ii LỜI CẢM ƠN Qua quá trình nỗ lực phấn đấu học tập và nghiên cứu của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng và các bạn bè đồng nghiệp, luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu đề xuất giải pháp sửa chữa đập đất Hồ chứa nước Đập Làng, huyện Nghĩa Hành, tỉnh Quảng Ngãi” đã được tác giả hoàn thành. Để có được thành quả này, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy TS.Vũ Huy Công đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và cung cấp các thông tin khoa học cần thiết trong quá trình thực hiện luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Phòng Đào tạo Đại học & Sau đại học đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã giảng dạy, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng và Đầu tư Quảng Ngãi, Ủy ban nhân dân tỉnh Quảng Ngãi nơi tác giả công tác, gia đình, bạn bè đã động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do hạn chế về thời gian, kiến thức khoa học và kinh nghiệm thực tế của bản thân tác giả nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành giúp tác giả hoàn thiện hơn đề tài của luận văn. Xin trân trọng cảm ơn! Quảng Ngãi, tháng 9 năm 2019 iii NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CHỐNG THẤM ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƯỚC ĐẬP LÀNG, TỈNH QUẢNG NGÃI Học viên: Phạm Hoàng Vân. Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 60.58.02.02. Khóa: K35CTT-QNg, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng. Tóm tắt- Công trình Hồ chứa nước Đập Làng tỉnh Quảng Ngãi, được xây dựng vào năm 1978. Sau gần 37 năm khai thác sử dụng, công trình đã có dấu hiệu xuống cấp. Đập có hiện tượng thấm qua thân đập xuất hiện ở vùng lòng sông cũ, trong phạm vi khoảng 350m chiều dài đập. Đường bão hòa xuất hiện trên mái, cao hơn đỉnh đống đá tiêu nước. Trong điều kiện bình thường, thấm chưa gây xói ngầm thân đập nhưng khi gặp lũ lớn, mức nước hồ dâng cao, sẽ tiềm ẩn nguy cơ xói ngầm thân đập đất. Tại vị trí hai bên mang cống có dòng thấm làm ướt phần mái hạ lưu đập. Ngoài ra, lớp đá bảo vệ mái thượng lưu đã bị sóng mạnh gây sạt lở, lún sụt cục bộ. Nguy cơ sạt trượt thân đập khi mùa mưa bão đến là rất lớn, có nguy cơ mất an toàn đập. Nghiên cứu này tác giả đã trình bày giải pháp sửa chữa chống thấm, tăng ổn định cho hồ chứa nước Đập Làng, tỉnh Quảng Ngãi. Từ khóa: Đập Làng, dòng thấm, Đập đất, Jet Grouting, Geo slope STUDY AND PROPOSE SOLUTIONS TO REPAIR DAP LANG DAM IN NGHIA HANH DITRICT, QUANG NGAI PROVINCE Abstract - The Dap Lang dam in Quang Ngai province was built in 1978. After nearly 37 years of exploitation and use, the dam has shown signs of degradation. The seepage through the dam body in the old riverbed, within about 350m of the dam length. The seepage line appears on the slope, higher than the top of the rock toe. Under normal conditions, seepage does not cause erosion of the dam body but when the flood is large, the water level is high, there is a potential for erosion of the dam body. At the two sides of the sluice gate, there are also the seepage flows. In addition, the layer protecting the upstream roof has been destroyed by strong waves causing landslides and subsidence locally. The risk of slipping down of dam slope is very high in rainy season. In this study, the author presented the solution of waterproofing and stabilizing for Dam Lang reservoir, Quang Ngai province. Keywords: Dap Lang, seepage, earth Dam, Jet Grouting, Geo-slope. iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. I LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... II MỤC LỤC .......................................................................................................... IV DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................... VII DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................. X MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ................................................................. 1 2. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU .............................................. 2 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .............................................. 2 4. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................... 2 5. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC................................................................ 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THẤM QUA ĐẬP ĐẤT .............................. 3 1.1. KHÁI NIỆM VỀ THẤM ....................................................................... 3 1.1.1. Nguyên nhân gây thấm........................................................................ 3 1.1.2. Môi trường thấm ................................................................................. 4 1.1.3. Phân loại dòng thấm ............................................................................ 5 1.1.4 Tính chất đẳng hướng và dị hướng của vật liệu................................... 7 1.1.5. Ảnh hưởng của các loại đất đắp đập đến dòng thấm .......................... 8 1.2. CÁC TÁC NHÂN GÂY MẤT AN TOÀN ĐẬP ĐẤT.......................... 9 1.2.1. Các tác nhân chính gây mất an toàn công trình đầu mối: ................... 9 1.2.2. Sự cố công trình thường gặp do dòng thấm gây ra đối với đập đất: . 12 1.2.3. Nguyên nhân gây mất an toàn công trình ......................................... 13 1.3. TÍNH TOÁN THẤM QUA ĐẬP ĐẤT ............................................... 14 1.3.1. Mục đích của việc tính toán thấm qua đập đất.................................. 14 1.3.2. Nghiên cứu tính toán thấm ................................................................ 14 1.3.3. Phương pháp nghiên cứu thấm qua đập ............................................ 16 1.3.4. Phương pháp phần tử hữu hạn ......................................................... 19 1.4. ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐÂT ........................................................................... 20 1.4.1. Tổng quan .......................................................................................... 20 1.4.2 Điều kiện làm việc của đập đất .......................................................... 21 1.4.3. Các trường hợp tính toán ổn định mái đập........................................ 22 v 1.4.4. Cơ sở lý thuyết tính toán ổn định mái dốc ........................................ 23 1.5. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG THẤM .................. 30 1.5.1. Yêu cầu chống thấm ở thân và nền đập [7]....................................... 30 1.5.2. Phương án chống thấm thân, nền đập ............................................... 31 1.5.3. Phương án chống thấm thân nền đập, giải pháp chống thấm bằng cọc xi măng đất (phương pháp Jet – Grouting) ......................................................... 39 1.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................... 52 CHƯƠNG 2: ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG THẤM VÀ ỔN ĐỊNH ĐẬP LÀNG ................................................................................................................. 54 2.1. GIỚI THIỆU VỀ HỒ CHỨA NƯỚC ĐẬP LÀNG............................ 54 2.1.1. Vị trí công trình ................................................................................. 54 2.1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ công trình ....................................................... 55 2.1.3. Các thông số kỹ thuật chủ yếu của hồ chứa ...................................... 55 2.2. HIỆN TRẠNG ĐẬP ĐẤT CỦA HỒ CHỨA ...................................... 58 2.2.1. Hiện trạng Công trình hồ chứa nước Đập Làng ................................ 58 Hình 51. Mặt cắt ngang hiện trạng đập Làng............................................. 60 2.2.2. Đánh giá hiện trạng ........................................................................... 61 2.2.3. Hiệu quả thực tế của công trình .................................................... 71 2.3. TÍNH ỔN ĐỊNH HIỆN TRẠNG ĐẬP LÀNG ................................... 72 2.3.1. Mặt cắt và trường hợp tính toán ........................................................ 72 2.3.2. Tính chất cơ lý................................................................................... 72 2.3.3. Kết quả tính toán hiện trạng .............................................................. 73 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................... 76 CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP SỬA CHỮA CHO ĐẬP LÀNG....... 78 3.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG THẤM ĐẬP LÀNG...................... 78 3.2 PHƯƠNG ÁN CHỐNG THẤM BẰNG CHÂN KHAY (DO CÔNG TY CP TƯ VẤN XÂY DỰNG VÀ ĐẦU TƯ QUẢNG NGÃI ĐỀ XUẤT) ..................................................................................................................... 79 3.3. PHƯƠNG ÁN CHỐNG THẤM BẰNG CỌC XI MĂNG ĐẤT (ĐỀ XUẤT) ........................................................................................................ 82 3.4. LỰA CHỌN PHẦN MỀM TÍNH TOÁN ........................................... 88 3.5. TÍNH TOÁN KIỂM TRA THẤM VÀ ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP ........... 89 vi 3.5.1 Tính thấm và ổn định theo phương án của Công ty Cổ phần Tư vấn XD và Đầu tư Quảng Ngãi. ................................................................................... 89 3.5.2. Tính thấm và ổn định theo phương án tạo tường chống thấm bằng Jet-grouting.......................................................................................................... 97 3.6 PHÂN TÍCH KINH TẾ VÀ ỔN ĐỊNH THẤM CỦA 2 PHƯƠNG ÁN ................................................................................................................... 107 3.6.1 Phân tích sơ bộ kinh tế ..................................................................... 107 3.6.2. Phân tích kết quả thấm, ổn định, đánh giá và lựa chọn phương án 108 3.6.3. Lựa chọn phương án........................................................................ 111 3.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................. 111 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 112 1. KẾT LUẬN .............................................................................................. 112 2. KIẾN NGHỊ.............................................................................................. 112 3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI............................................................ 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 114 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1. Hiện tượng thấm hồ chứa......................................................................... 3 Hình 2. Sơ đồ đất bão hòa, đất không bão hòa, đất khô....................................... 5 Hình 3. Dòng thấm phẳng ..................................................................................... 6 Hình 4. Sơ đồ vùng thấm mao dẫn (a), biểu đồ áp lực nước trong đập đất (b)....... 7 Hình 5. Thiết bị đóng mở của tràn gặp sự cố [6] ............................................... 10 Hình 6. Sạt mái thượng lưu đập [6] .................................................................... 11 Hình 7. Sự cố vỡ đập Đầm Hà Động (Quảng Ninh) [6] ..................................... 11 Hình 8. Nứt thân đập [6] ..................................................................................... 12 Hình 9. Thấm ở mái hạ lưu đập [6] .................................................................... 13 Hình 10. Mô hình thí nghiệm thấm bằng máng kính [6] .................................... 17 Hình 11.Thí nghiệm thấm khe hẹp [6] ................................................................ 18 Hình 15. mặt cắt ngang một mái dốc .................................................................. 24 Hình 16.Các đạng di chuyển của khối đất đá. .................................................... 24 Hình 26. Biện pháp chống thấm tường nghiêng bê tông cốt thép ...................... 32 Hình 27. Biện pháp chống thấm bằng màng HPDE ........................................... 33 Hình 28. Biện pháp tường lõi bê tông cốt thép ................................................... 34 Hình 29. Biện pháp phụt vữa chống thấm........................................................... 35 Hình 30. Sân phủ đập đất .................................................................................... 36 Hình 31. Thi công tường hào bentonite chống thấm .......................................... 37 Hình 32. Thi công cọc bê tông ............................................................................ 39 Hình 33. Sơ đồ nguyên lý dây chuyền công nghệ Jet – Grouting ....................... 40 Hình 34. Quy trình thi công công nghệ jet grouting ........................................... 40 Hình 40. Máy khoan phụt YBM-2P, D=60,5 mm. .............................................. 41 Hình 41. Máy bơm vữa cao áp SG-75MK(II), Pmax=40 MPa, Qmax=200l/p .. 41 Hình 42. Máy trộn YGM – 1................................................................................ 42 Hình 43. Máy phát điện 250 kVA ........................................................................ 43 Hình 44. Thiết bị Công nghệ trộn khô ................................................................ 44 Hình 45. Sơ đồ công nghệ trộn khô..................................................................... 44 Hình 46. Thiết bị Công nghệ trộn ướt ................................................................. 45 Hình 47. Sơ đồ công nghệ trộn ướt. .................................................................... 46 Hình 48. Nguyên lý một số công nghệ khoan phụt ............................................. 47 Hình 49.Bình đồ vị trí hồchứa nước Đập Làng tỉnh Quảng Ngãi ...................... 54 Hình 50. Bản đồ hồ chứa nước Đập Làng (1/50.000) ........................................ 55 Hình 51. Mặt cắt ngang hiện trạng đập Làng..................................................... 60 viii Hình 52. Hiện trạng lòng hồ HCN Đập Làng ..................................................... 61 Hình 53. Hiện trạng mặt đỉnh đập ...................................................................... 62 Hình 54. Hiện trạng thấm ở hạ lưu đập .............................................................. 62 Hình 55. Cây cỏ mọc um tùm trên mái TL .......................................................... 63 Hình 56. Mái thượng lưu đá lát bị bong tróc ...................................................... 63 Hình 57. Ngưỡng tràn bị bong tróc..................................................................... 65 Hình 58. Ngưỡng tràn bị cuốn trôi ..................................................................... 65 Hình 59. Vết nứt giữa dốc nước và sân tiêu năng............................................... 66 Hình 60. Tường đá xây bị bong tróc ................................................................... 66 Hình 61. Vết nứt ngang, dọc ............................................................................... 67 Hình 62. Vết nứt dọc ........................................................................................... 67 Hình 63. Dàn van công tác cống ......................................................................... 68 Hình 64. Cửa ra cống bị rò rỉ ............................................................................. 68 Hình 65. Hiện trạng đường quản lý .................................................................... 69 Hình 66. Đường quản lý giáp đầu vai đập.......................................................... 70 Hình 67. Kênh bằng đất chưa được kiên cố........................................................ 71 Hình 68. Kết quả tính thấm, tổ hợp cơ bản, MNTL = 28,80 m, HL= MĐTN .... 73 Hình 69. Kết quả tính thấm, tổ hợp đặc biệt, MNTL = 28,8-:-24,0 m, HL = MĐTN .................................................................................................................. 74 Hình 70.Kết quả tính ổn định, tổ hợp cơ bản, MNTL = 28,80 m, HL = MĐTN (cơ bản) ............................................................................................................... 75 Hình 71. Kết quả tính ổn định, tổ hợp đặc biệt, MNTL = 28,8-:-24.0 m, HL = MĐTN (nước rút) ................................................................................................ 75 Hình 72. Mặt cắt ngang đập (Phương án sữa chữa) của đơn vị Tư vấn thiết kế 81 Hình 73. Kết quả tính thấm, tổ hợp thi công, MNTL = 22,93 m, HL = MĐNT . 90 Hình 74. Kết quả tính thấm, tổ hợp cơ bản, MNDBT = 28,8 m, HL = MĐTN .. 90 Hình 75. Kết quả tính thấm, tổ hợp đặc biệt, MNTL = 31,24 m, HL = MĐNT m ............................................................................................................................. 91 Hình 76. Kết quả tính thấm, tổ hợp đặc biệt, MNTL = 31,67 m, HL = MĐTN.. 91 Hình 77. Kết quả tính thấm, tổ hợp đặc biệt, MNTL = 31,67 m, HL = MĐTN (Tắc lọc) .............................................................................................................. 91 Hình 78. Kết quả tính thấm, tổ hợp cơ bản, MNTL =(31,24-:-28,80) m, HL = MĐTN (nước rút) ................................................................................................ 92 Hình 79. Kết quả tính thấm, tổ hợp cơ bản, MNTL =(28,80-:-24,00) m, HL = MĐTN (nước rút) ................................................................................................ 92 ix Hình 80. Kết quả tính ổn định, tổ hợp thi công, MNTL = 22,93 m, HL = MĐTN ............................................................................................................................. 93 Hình 81. Kết quả tính ổn định, tổ hợp cơ bản, MNTL = 28,8 m, HL = MĐTN . 94 Hình 82. Kết quả tính ổn định, tổ hợp cơ bản, MNTL = 31,24 m, HL = MĐTN ..... 94 Hình 83. Kết quả tính thấm, tổ hợp đặc biệt, MNTL = 31,67 m, HL = MĐTN................ 94 Hình 84. Kết quả tính ổn định, tổ hợp đặc biệt, MNTL = 28,8 m, HL = MĐTN (tắc lọc)................................................................................................................ 95 Hình 85.Kết quả tính ổn định, tổ hợp đặc biệt, MNTL =31,24-:-28,8 m, HL = MĐTN (nước rút)........................................................................................................................ 95 Hình 86.Kết quả tính ổn định, tổ hợp đặc biệt, MNTL =28,8-:-24,00 m, HL = MĐTN (nước rút) ................................................................................................ 96 Hình 87. Mặt cắt điển hình đập .......................................................................... 97 Hình 88. Sơ đồ bố trí hai hàng cọc XMĐ D60.................................................... 98 Hình 89. Mặt cắt Đập đại diện phương án công nghệ Jet-Grouting .................. 99 Hình 90. Kết quả tính thấm, tổ hợp cơ bản, MNTL = 22,93 m, HL = MĐTN . 100 Hình 91. Kết quả tính thấm, tổ hợp cơ bản, MNTL = 28,80 m, HL = MĐTN . 100 Hình 92. Kết quả tính thấm, tổ hợp cơ bản, MNTL = 31,24 m, HL = MĐTN . 101 Hình 93. Kết quả tính thấm, tổ hợp đặc biệt, MNTL = 31,67 m, HL = MĐTN 101 Hình 94. Kết quả tính thấm, tổ hợp đặc biệt, MNTL = 28,8 m, HL = MĐTN (tắc lọc) ..................................................................................................................... 101 Hình 95. Kết quả tính thấm, tổ hợp đặc biệt, MNTL =31,24-:-28,8 m, HL = MĐTN (nước rút) .............................................................................................. 101 Hình 96. Kết quả tính ổn định, tổ hợp đặc biệt, MNTL =28,8-:-24,00 m, HL = MĐTN (nước rút)............................................................................................................. 102 Hình 97. Kết quả tính ổn định, tổ hợp cơ bản, MNTL = 22,93 m, HL = MĐTN ........................................................................................................................... 103 Hình 98. Kết quả tính ổn định, tổ hợp cơ bản, MNTL = 28,80 m, HL =MĐTN ........................................................................................................................... 104 Hình 99. Kết quả tính ổn định, MNTL = 31,24 m, HL = MĐTN ............................ 104 Hình 100. Kết quả tính thấm, tổ hợp đặc biệt, MNTL = 31,67 m, HL = MĐTN ........................................................................................................................... 105 Hình 101. Kết quả tính ổn định, tổ hợp đặc biệt, MNTL = 28,8 m, HL = MĐTN .......... 105 Hình 102. Kết quả tính ổn định, tổ hợp cơ bản, MNTL =31,24-:-28,8 m, HL = MĐTN . 106 Hình 103. Kết quả tính ổn định, tổ hợp cơ bản, MNTL =28,80-:-24,00 m, HL = MĐTN106 x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Hệ số thấm của các loại đất đá khác nhau( theo N.M. Maxiov) ............. 9 Bảng 2. Trị số građient cho phép [Jk]cp ở khối đắp thân đập ........................... 15 Bảng 3. Trị số građient trung bình tới hạn [Jk]th ở các bộ phận chống thấm... 15 Bảng 4.Hệ số an toàn ổn định nhỏ nhất của mái đập [Kcp] .............................. 21 Bảng 5.Các trường hợp tính toán ổn định đập đất, [7] ...................................... 22 Bảng 6. Kết quả thí nghiệm trong phòng xác định cường độ kháng nén của hỗn hợp vật liệu xi măng đất ...................................................................................... 48 Bảng 7. Tỷ lệ xi măng với đất tối ưu tương ứng với các loại đất khác nhau ...... 49 Bảng 8. Tỷ lệ xi măng với đất với các loại đất khác nhau theo hệ thống phân loại Unified (Mitchell and Freitag, 1959) .......................................................... 49 Bảng 9. Các thông số kỹ thuật chính của hồ chứa nước Đập Làng ................... 56 Bảng 10. Tính chất cơ lý của đất nền đất đắp .................................................... 72 Bảng 11. Kết quả tính thấm đập hiện trạng ........................................................ 74 Bảng 12. Kết quả tính ổn định đập hiện trạng .................................................... 76 Bảng 13. Bảng tính toán cao độ đỉnh đập........................................................... 86 Bảng 14. Xác định cao trình đập thiết kế ............................................................ 87 Bảng 15. Kết quả tính thấm đập theo phương án cty CPTV&ĐT Quảng Ngãi.. 92 Bảng 16. Tổng hợp các trường hợp tính toán ..................................................... 96 Bảng 17. Bảng kiểm tra điều kiện bề dày tường lõi cọc Jet - grouting .............. 98 Bảng 18. Kết quả tính thấm đập theo phương án chống thấm bằng ....................... 102 Bảng 19. Kết quả tính ổn định công nghệ Jet groutng ..................................... 106 Bảng 20. Dự toán các phương án chống thấm ................................................. 107 Bảng 21. Hiệu quả chống thấm của các các phương án .................................. 110 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Quảng Ngãi là một tỉnh ven biển nằm ở vùng Duyên Hải Nam Trung Bộ, Việt Nam. Quảng Ngãi trải dài từ 14°32′ đến 15°25′ Bắc, từ 108°06′ đến 109°04′ Đông, tựa vào dãy núi Trường Sơn hướng ra Biển Đông với chiều dài bờ biển 144 km, phía Bắc giáp tỉnh Quảng Nam với chiều dài đường địa giới 98 km, phía Nam giáp tỉnh Bình Định với chiều dài đường địa giới 83 km, phía Tây giáp tỉnh Kon Tum với chiều dài đường địa giới 79 km, phía Đông giáp Biển Đông. Toàn tỉnh hiện có 123 hồ chứa với tổng dung tích thiết kế trên 407 triệu m3, được phân bổ trên địa bàn 11/14 huyện thành phố, các địa phương có nhiều hồ chứa gồm: Bình Sơn 59 hồ, Sơn Tịnh 15 hồ, Đức Phổ 11 hồ, Trà Bồng 10 hồ, Nghĩa Hành 7 hồ, Mộ Đức 6 hồ. Trong đó 5 hồ có dung tích từ 10 triệu m3 trở lên, 7 hồ có dung tích từ 3-10 triệu m3, còn lại là hồ chứa có dung tích từ 3 triệu m3 trở xuống. Có thể nói hệ thống các hồ chứa nước cơ bản đáp ứng được nhu cầu dùng nước phục vụ cho sản xuất, sinh hoạt của nhân dân trong thời gian vừa qua. Công trình Hồ chứa nước Đập Làng thuộc địa phận thôn Tân Phú, xã Hành Tín Tây, huyện Nghĩa Hành, tỉnh Quảng Ngãi; cụm đầu mối cách tỉnh lỵ Quảng Ngãi khoảng 21 km về phía nam –tây nam, cách huyện lỵ Nghĩa Hành khoảng 13 km về phía nam. Công trình được xây dựng vào năm 1978. Sau gần 37 năm khai thác sử dụng, công trình đã góp phần vào công cuộc xóa đói giảm nghèo cho nhân dân vùng sở tại, đồng thời góp phần đáng kể trong việc phát triển kinh tế, dân sinh và ổn định an ninh lương thực người dân tỉnh Quảng Ngãi. Với tình hình biến đổi khí hậu ngày càng khắc nhiệt như các năm gần đây, thêm vào đó sự phát triển kinh tế -xã hội tỉnh Quảng Ngãi, với tốc độ đô thị hóa khá cao, sự gia tăng số lượng ngành nghề, dân số, dẫn đến nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng, trong khi công trình xây dựng đã lâu, qua thời gian sử dụng một số hạng mục (đập đất, tràn xả lũ, tháp cống lấy nước, đường quản lý…) đã có dấu hiệu xuống cấp. Đập có Hiện tượng thấm qua thân đập xuất hiện ở vùng lòng sông cũ, trong phạm vi khoảng 350m chiều dài đập. Đường bão hòa xuất hiện trên mái, cao hơn đỉnh đống đá tiêu nước. Trong điều kiện bình thường, thấm chưa gây xói ngầm thân đập. Nhưng khi gặp lũ lớn, mức nước hồ dâng cao, sẽ tiềm ẩn nguy cơ xói ngầm thân đập đất. Tại vị trí Hai bên mang cống có 2 dòng thấm làm ướt phần mái hạ lưu đập. Ngoài ra, lớp đá chít mạch bảo vệ mái thượng lưu đã bị sóng mạnh gây sạt lở, lún sụt cục bộ . Nguy cơ sạt trượt thân đập khi mùa mưa bão đến là rất lớn, có nguy cơ mất an toàn đập. Do đó, việc nghiên cứu, phân tích xác định nguyên nhân và đề xuất giải pháp xử lý thấm, đảm bảo an toàn cho việc vận hành đập đất hồ chứa nước Đập Làng là hết sức cần thiết trong tình hình hiện nay. 2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu Đánh giá tổng thể về hiện trạng đập đất hồ chứa nước Đập Làng, nghiên cứu nguyên nhân thấm, mất ổn định và đề xuất các giải pháp sửa chữa đập. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Hồ chứa nước Đập Làng - Phạm vi nghiên cứu: Đập đất hồ chứa nước Đập Làng 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu - Khảo sát thực tế hiện trường, thu thập phân tích các tài liệu đã có kết hợp với nghiên cứu các phương pháp kỹ thuật mới, đề xuất giải pháp kỹ thuật phù hợp. - Phương pháp nghiên cứu: + Phương pháp điều tra, thu thập số liệu; + Phương pháp phân tích thống kê; + Phương pháp số: Ứng dụng phần mềm SEEP/W và SLOPE/W tính thấm và ổn định cho cho các mặt cắt đại diện. 5. Kết quả dự kiến đạt được Nghiên cứu các giải pháp sửa chữa chống thấm, tăng ổn định cho hồ chứa nước Đập Làng, tỉnh Quảng Ngãi. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THẤM QUA ĐẬP ĐẤT 1.1. KHÁI NIỆM VỀ THẤM Thấm là sự chuyển động của chất lỏng trong đất, trong đá nứt nẻ hoặc trong môi trường ( rỗng, xốp) nói chung của đất được diễn ra dưới tác dụng của lực trọng trường khi có sự chênh lệch cột nước giữa các điểm khác nhau trong môi trường xốp [1]. Hình 1. Hiện tượng thấm hồ chứa Tính thấm nước của đất đá phụ thuộc nhiều nhân tố, quan trọng nhất là kích thước, hình dạng lỗ rỗng và độ rỗng, nó được quyết định bởi độ phân tán và thành phần khoáng vật của đất đá. Sự xuất hiện của dòng thấm qua đập đất gây nên những tác hại nhiều lúc rất lớn về mặt tổn thất lượng nước cũng như tính bền vững của công trình. Do đó, trong thiết kế và xây dựng đập đất vấn đề nghiên cứu, đánh giá những đặc trưng của dòng thấm là một khâu quan trọng không thể thiếu [1]. 1.1.1. Nguyên nhân gây thấm Nguyên nhân gây ra thấm trong đất bão hòa nước là do thế chuyển động của dòng thấm hay chính là Gradient cột nước thấm. Nguyên nhân gây thấm trong đất không bão hòa nước ngoài tác nhân chính là Gradient cột nước thủy lực (bao gồm Gradient áp lực và Gradient cao trình) còn do Gradient độ ẩm, Gradient hút dính Ua-Uw. Trong đó Ua chính là áp lực khí lỗ rỗng, Uw là áp lực nước lỗ rỗng [2]. Thế chuyển động của dòng thấm: xác định năng lượng hay khả năng của dòng. Năng lượng tại một điểm được tính theo mức chuẩn. Mức chuẩn được chọn tuỳ ý vì chỉ gradient năng lượng giữa hai điểm là quan trọng để mô tả dòng thấm. Tổng năng lượng tại một điểm có thể biểu thị năng lượng trên trọng lượng 4 đơn vị được gọi là vị thế hay cột nước thủy lực hw  y  U w3 Vw2  Pw g 2 g (2-1) Trong đó: hw : Cột nước thủy lực hay cột nước tổng cộng (m) y: Cột nước trọng lực (m) U w3 : Cột nước áp lực (m) Pw g Vw2 : Cột nước lưu tốc trong đất (m) 2g Do cột nước lưu tốc trong đất là rất nhỏ so với cột nước trọng lực nên công thức (2-1) có thể viết thành: U w3 hw  y  Pw g (2-2) Nước sẽ thấm từ nơi có áp lực cao đến nơi có cột nước thấp hơn bất kể là áp lực nước lỗ rỗng là âm hay dương. 1.1.2. Môi trường thấm Môi trường đất là môi trường chủyếu được đề cập trong luận văn. Môi trường đất là hỗn hợp nhiều pha. Pha rắn là các hạt cốt đất, pha lỏng là nước, pha khí là khí trong các lỗ rỗng giữa các hạt cốt đất. Nước ở trong đất có thể được tồn tại ở các trạng thái khác nhau như: nước ở thể hơi, nước ở thể bám chặt, nước ở thể màng mỏng, nước mao dẫn, nước trọng lực. - Nước mao dẫn chứa đầy trong các khe rỗng của đất, chịu tác động của sức căng mặt ngoài và trọng lực. Nước mao dẫn có thể chuyển động trong đất và có thể truyền áp lực. - Nước trọng lực (Nước ngầm) là nước tự do chứa đầy ỏ tất cả các khe rỗng của đất từ các thể tích rất nhỏ có thể chứa không khí. Nước trọng lực chịu tác dụng của trọng lực và nước ngầm, chuyển động được là do tác dụng của trọng lực. Nước trọng lực có thể truyền áp lực. Nước trong đất có trạng thái liên tục chuyển động tạo thành dòng nước ngầm hay còn gọi là dòng thấm. Cũng giống như chuyển động của nước mặt, chuyển động của nước ngầm có thể coi là chuyển động không áp hoặc có áp. Trong 5 chuyển động không áp, ở phía trên được giới hạn bởi mặt tự do còn gọi là mặt bão hòa, áp suất tại các điểm trên mặt đó bằng hằng số và bằng áp suất khí quyển (chưa xét đến hiện tượng mao dẫn). Theo tính chất bão hòa nước, môi trường nước thấm chia làm hai loại: Đất bão hòa và đất không bão hòa: Đất bão hoà: Đất bão hoà chỉ chứa hạt rắn và nước - lỗ rỗng chứa đầy nước, nên môi trường gồm 2 pha, độ bão hoà: Vn/Vr= 1, độ chứa nước thể tích: w= Vn/V = Vr/V = n, độ rỗng (n): n = Vr/V; Đất không bão hoà: Đất không bão hoà chứa hạt rắn, khí và nước: môi trường 3 pha, lỗ rỗng chứa cả khí và nước, độ bão hoà: Vn/Vr< 1, độ chứa nước thể tích: w= Vn/V ;w< n; độ rỗng (n): n = Vr/V; Vr – Thể tích rỗng của phân tố đất V- Thể tích của phân tố đất Hình 2. Sơ đồ đất bão hòa, đất không bão hòa, đất khô 1.1.3. Phân loại dòng thấm a. Thấm ổn định và thấm không ổn định Những tính toán chính đối với đập đất về thấm được tiến hành cho trường hợp thấm ổn định, trong đó cho trước các đại lượng mực nước thượng hạ lưu không đổi và điều kiện tác động bình thường của chúng đến lưu lượng thấm cũng như đến vị trí đường bão hòa thấm. Dưới góc độ đảm bảo sự làm việc tin cậy của đập đất đá thì nghiên cứu 6 thấm không ổn định có một vai trò quan trọng. Đáng chú ý là trường hợp chuyển động thấm không ổn định ở khu vực nêm thượng lưu của đập và ở mái dốc hai bờ phía thượng lưu, khi mực nước trong hồ chứa hạ đột ngột với tốc độ lớn. Hiện tượng này thường xảy ra khi cần tháo nước hồ chứa để tạo dung tích phòng lũ trước thời điểm có lũ lớn theo dự báo hoặc trong tình huống sự cố. Do vị trí đường bão hòa trong thân đập cao hơn mực nước hồ cho nên sẽ hình thành sự chuyển động thấm ngược về phía hồ chứa, và hiện tượng thấm ngược có thể gây mất ổn định cho mái dốc thượng lưu hoặc làm trượt lớp gia cố bảo vệ mái dốc. b. Thấm có áp và thấm không áp Dòng thấm có áp – khi nó bị giới hạn từ phía trên bởi biên cứng, dòng thấm không có mặt thoáng, chuyển động của dòng thấm giống như nước chảy trong ống có áp. Đây là trường hợp khi xét dòng thấm dưới đáy công trình [3]. Dòng thấm không áp – khi nó không bị giới hạn từ phía trên bởi công trình. Đây là trường hợp dòng thấm hai bên vai công trình, dòng thấm qua thân đập đất. Giới hạn phía trên của dòng thấm là mặt thoáng hay mặt bão hòa, tại đây có áp suất bằng áp suất khí trời. c. Dòng thấm phẳng và thấm không gian Đối với các đập xây dựng ở sông đồng bằng thường có chiều cao nhỏ, chiều dài lớn, do đó chuyển động thấm trong phạm vi phần lớn chiều dài đập là thấm gần như phẳng, nghĩa là dòng thấm gần vuông góc với trục dọc của đập. Các đập cao xây dựng ở vùng núi, hoặc trên các sông suối hẹp thì chuyển động của dòng thấm có tính không gian rõ rệt [3]. Hình 3. Dòng thấm phẳng 7 d. Hiện tượng mao dẫn trong thấm không áp Dòng thấm qua đập đất đá là thấm không áp có mặt bão hòa là mặt thoáng tự do, vì vậy phía trên mặt bão hòa hình thành vùng đất có độ ẩm giảm dần dưới tác dụng của lực mao dẫn (wm < wb, trong đó: wm - độ ẩm của đất ở vùng mao dẫn, wb - độ ẩm của đất trong điều kiện bão hòa nước - đất nằm dưới đường bão hòa). Chiều cao mao dẫn và sự phân bổ độ ẩm của đất ở vùng mao dẫn phụ thuộc vào kích thước kẽ rỗng giữa các hạt đất đá [3]. Hình 4. Sơ đồ vùng thấm mao dẫn (a), biểu đồ áp lực nước trong đập đất (b) Nước mao dẫn tham gia chuyển động thấm ở vùng bão hòa. Nếu kể tới chuyển động mao dẫn thì cột nước thấm được tính như sau: Ht = h+hm.a (m) (2.3) Trong đó: Ht : cột nước thấm có kể đến mao dẫn (m) h : cột nước thấm kể từ đường bão hòa đến đáy đập (m) hm : chiều cao mao dẫn (m) a : hệ số kể đến mức độ chứa nước trong lớp mao dẫn lấy bằng 0,3 ÷ 0,4. 1.1.4 Tính chất đẳng hướng và dị hướng của vật liệu Khái niệm đất đồng chất về phương diện thấm trong đập đất thường không dẫn đến những sai số đáng kể so với thực tế, tuy vậy ở một số trường hợp phải chú ý đến sự không đồng nhất của vật liệu (tính chất dị hướng về thấm). Nếu thân đập hoặc bộ phận chống thấm của đập (như lõi giữa, tường nghiêng bằng đất) được thi công bằng loại vật liệu tương đối đồng chất, thì hệ số không đồng nhất có giá trị nhỏ và có thể giải quyết bài toán thấm với môi trường đồng nhất. Sự không đồng nhất - dị hướng ở đây thường xảy ra do công nghệ thi công đắp đất với những lớp nằm ngang, tạo sự khác nhau về hệ số thấm theo phương ngang và đứng với các hệ số thấm theo phương x (ngang) và y (đứng) [3]. , trong đó: kx và ky là 8 Trong trường hợp vật liệu sử dụng cho kết cấu chống thấm của thân đập có cấu tạo thành phần hạt rất khác nhau, thì khi đổ đất thường xảy ra hiện tượng phân tầng, ở dưới là đất hạt thô với hệ số thấm lớn, phía trên nó cỡ hạt nhỏ hơn và hệ số thấm nhỏ hơn. Với lớp đổ tiếp theo sự phân tầng cũng tương tự như vậy. Hậu quả của phân tầng là tạo ra sự dị hướng về hệ số thấm trong phạm vi mỗi lớp với độ chênh lệch tới 5 -:- 7 lần, có khi tới 10 lần. Khi tính thấm, cần phân tích khả năng tồn tại các vùng vật liệu có hệ số thấm dị hướng với sự khác biệt lớn để có biện pháp khắc phục hậu quả bất lợi của biến dạng thấm. Một vấn đề khác cần chú ý là ảnh hưởng của ứng suất đến hệ số thấm trong t t vật liệu đập. Nếu đất bị nén mạnh và ứng suất trung bình khác nhau trong thân đập có sự khác nhau đáng kể về giá trị, thì sẽ có hiện tượng thấm không đồng nhất, bởi vì độ rỗng của đất thay đổi phụ thuộc vào ứng suất. Theo V.P. Nedriga, hệ số thấm trong lõi giữa của đập cao và siêu cao có thể khác nhau đến 10 lần đối với vật liệu ở vùng dưới đáy lõi so với vùng trên đỉnh lõi. Thậm chí nếu kx = ky , thì lưu lượng thấm và tính chất lưới thấm còn phụ thuộc vào sự thay đổi hệ số thấm (kt) theo tọa độ. 1.1.5. Ảnh hưởng của các loại đất đắp đập đến dòng thấm Đất đá có thành phần hạt không đồng nhất thường có tính thấm nước lớn hơn đất đá có thành phần hạt đồng nhất, sự có mặt của nhóm hạt sét sẽ làm cho tính thấm của cát giảm. Cấu trúc của đất ảnh hưởng đến tính thấm của nó. Cấu tạo lớp, dải, gơnai…làm cho tính thấm của đất đá không đẳng hướng. Khả năng thấm nước lớn nhất theo phương song song với mặt lớp, phương kéo dài của dải. Sự có mặt của các lớp kẹp không thấm nước có tính dị hướng rõ rệt. Khi phá hoại kết cấu của đất cũng như sự đầm chặt nhân tạo có khả năng thay đổi lớn tính thấm của đất. Ngoài ra, nồng độ điện phân trong nước và các cation trao đổi có ảnh hưởng rất lớn đến tính thấm nước của đất sét. Theo nghiên cứu của theo N.M. Maxiov hệ số thấm của một số loại đất phổ biến như ở bảng 1 [4]. 9 Bảng 1. Hệ số thấm của các loại đất đá khác nhau( theo N.M. Maxiov) Loại đất đá Hệ số thấm Đặc điểm của đất đá theo k (m/ngđ) tính thấm nước Đất sét, đá cứng liền khối Đất sét pha, cát pha nặng, cát kết không có khe nứt Cát pha, đá phiến, cát kết, đá vôi nứt nẻ vừa. Cát hạt mịn và hạt nhỏ, đá cứng nứt nẻ. Cát hạt trung, đá cứng nứt nẻ tương đối nhiều. Cát lẫn cuội, sỏi; đá cứng nứt nẻ mạnh. < 5.10-5 đến 5.10-3 thực tế không thấm nước thấm nước rất yếu đến 0,5 thấm nước yếu đến 5 thấm nước đến 50 thấm nước tốt > 50 thấm nước mạnh 1.2. CÁC TÁC NHÂN GÂY MẤT AN TOÀN ĐẬP ĐẤT Hồ chứa nước là công trình tổng hợp nguồn nước nhằm cung cấp nước cho các ngành kinh tế quốc dân, cắt giảm lũ, phát điện và cải thiện môi trường. Đến nay, các hồ chứa này đã phát huy hiệu quả, thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội, đặc biệt góp phần vào sự phát triển nông nghiệp, công nghiệp, ổn định đời sống nhân dân, đảm bảo an ninh lương thực quốc gia. Tuy nhiên, các đập của hồ chứa nước hầu hết là đập đất, được xây dựng cách đây 30 - 40 năm trong thời kỳ đất nước còn nhiều khó khăn, trình độ kinh tế - xã hội thấp, nhu cầu dùng nước chưa cao, tiêu chuẩn thiết kế thấp, nguồn vốn đầu tư thủy lợi hạn hẹp, năng lực khảo sát thiết kế, thi công, quản lý còn nhiều bất cập, hạn chế. Ngoài ra, thời tiết diễn biến ngày càng phức tạp, cực đoan tác động tiêu cực đến sự ổn định của hồ chứa. Nhiều tác nhân cộng hưởng lại nên nhiều đập đất không tránh khỏi các nhược điểm như chưa đồng bộ, chất lượng thấp, thiếu mỹ quan, chưa thật sự an toàn, tiềm ẩn nguy cơ gây mất an toàn hồ chứa. 1.2.1. Các tác nhân chính gây mất an toàn công trình đầu mối: - Các yếu tố công trình. [5] + Đập không đủ cao độ chống lũ, bố trí công trình đầu mối chưa tuân thủ theo QCVN 04-05:2012/BNNPTNT và các tiêu chuẩn hiện hành, đảm bảo 10 thích ứng với điều kiện biến đổi khí hậu; + Thấm qua nền, vai đập và thân đập gây xói ngầm hoặc sạt trượt mái hạ lưu; thấm hai bên mang cống. + Tràn không đủ năng lực xả lũ, nhất là trong điều kiện bị ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, chặt phá rừng phòng hộ đầu nguồn làm đường quá trình lũ diễn biến bất lợi. + Thiết bị đóng mở cửa tràn bị sự cố, hoặc thậm chí bị sự cố an toàn cửa van (Hình 5). + Sóng lớn do gió bão làm sạt trượt mái thượng lưu (Hình 6). Hình 5. Thiết bị đóng mở của tràn gặp sự cố [6] + Không có số liệu quan trắc trong quá trình quản lý vận hành để phân tích đánh giá.Sự cố công trình (đập, tràn, cống lấy nước) do không có đủ độ kiên cố cần thiết hoặc vận hành không đúng quy trình kỹ thuật (đặc biệt với các công trình có cửa xả sâu). + Tổ mối hoặc các các hang hốc không được phát hiện và xử lý kịp thời. + Trong các tác nhân trên thì lũ và thấm là hai tác nhân thường trực gây mất an toàn, đồng thời công tác xử lý cũng hết sức khó khăn và tốn kém. 11 Hình 6. Sạt mái thượng lưu đập [6] Hình 7. Sự cố vỡ đập Đầm Hà Động (Quảng Ninh) [6] - Các yếu tố quản lý: + Công tác quản lý vận hành chưa được quan tâm đúng mức (thậm chí các hồ nhỏ không có người quản lý vận hành). Do vậy không phát hiện được các sự cố gây mất an toàn công trình ngay từ khi mới có các hiện tượng ban đầu. + Về thể chế: mặc dù đã có Nghị định số 72/NĐ-CP ngày 7/5/2007 về ‘Quản lý an toàn đập’ nhưng chưa có các quy định khác đồng bộ để thực hiện và cũng chưa có chế tài bắt buộc nên thực chất trong những năm vừa qua chưa triển khai công việc này. + Công tác quản lý nhà nước về xây dựng tại các địa phương còn yếu, đặc biệt là đối với các công trình không sử dụng nguồn vốn nhà nước. - Các yếu tố về tự nhiên: