Tính c ấ p thi ế t c ủa đề tài
Việt Nam sở hữu một hệ thống đập đa dạng, chủ yếu là đập đất, với 99% là đập đất và 1% là đập đất đá hỗn hợp Việc xây dựng đập thường diễn ra trên nền thấm nước, dẫn đến tình trạng thấm qua công trình, đặc biệt ở các khu vực bồi tích ven biển với độ dày cát, cuội, sỏi lớn Điều này có thể gây mất nước hồ chứa, xói lở, vỡ đập và trượt mái công trình Do đó, việc lựa chọn giải pháp xử lý chống thấm cho nền đập đất là rất quan trọng, nhằm đảm bảo thấm ở mức độ cho phép và phù hợp với điều kiện kinh tế, kỹ thuật tại Việt Nam Các giải pháp chống thấm thường được áp dụng bao gồm tường nghiêng chân đanh, tường nghiêng sân phủ bằng đất sét, và các vật liệu mới như màng HDPE Tuy nhiên, đối với một số công trình trên nền đất bồi tích, các phương án này chưa đủ hiệu quả Việc thay đất nền gặp khó khăn do tầng thấm sâu và mực nước ngầm cao, làm tăng khối lượng và chi phí xây dựng công trình.
Nghiên cứu ứng dụng cọc xi măng đất để xử lý nền khối đắp cho các công trình như đường giao thông, sân bay, và bến cảng đã được thực hiện, nhưng việc ứng dụng cho đập trên nền đất có hệ số thấm lớn ở ven biển Nam Trung Bộ vẫn còn hạn chế Cần thiết phải tạo ra một tường chống thấm dưới nền đất và lấp kín các hang hốc, đồng thời xử lý sâu qua các lớp bồi tích dưới đáy đập Thi công trong điều kiện địa hình chật hẹp và dưới nước là thách thức lớn Địa điểm và cách bố trí cọc cũng cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo độ kín khít, giảm hệ số thấm, và tránh gây lún hay nứt đập Ngoài ra, cần quan tâm đến diễn biến cố kết và lún trong quá trình thi công Nghiên cứu này nhằm cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ cho việc xử lý chống thấm đập bằng cọc xi măng đất, đánh giá khả năng ứng dụng trong thiết kế và thi công đập đất trên nền bồi tích ven biển Nam Trung Bộ.
M ục đích của đề tài
- Đánh giá được thực trạng làm việc của đập vật liệu địa phương, nguyên nhân hư hỏng, sự cố công trình;
Giải pháp chống thấm cho đập đất trên các nền địa chất được xây dựng dựa trên cơ sở khoa học và thực tiễn, với nhiều phương pháp khác nhau như sử dụng vật liệu chống thấm, hệ thống thoát nước và công nghệ xử lý đất Mỗi giải pháp đều có ưu nhược điểm riêng, ví dụ, vật liệu chống thấm có khả năng ngăn nước hiệu quả nhưng có thể tốn kém, trong khi hệ thống thoát nước giúp giảm áp lực nước nhưng cần bảo trì thường xuyên Phạm vi ứng dụng của từng giải pháp cũng khác nhau, phụ thuộc vào điều kiện địa chất và yêu cầu kỹ thuật của từng dự án.
Nghiên cứu về cọc xi măng đất và quy trình công nghệ khoan phụt áp lực cao (Jet-Grouting) nhằm tạo ra tường chống thấm cho đập đất đã được thực hiện để nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật Mục tiêu chính là đảm bảo các tiêu chuẩn về cường độ, ổn định, biến dạng, thấm và xói ngầm, góp phần vào sự phát triển bền vững trong xây dựng công trình thủy lợi.
- Đề xuất các giải pháp thiết kế, thi công, kiểm soát chất lượng của cọc xi măng làm tường chống thấm.
Đối tượ ng và ph ạ m vi nghiên c ứ u
Đối tượ ng nghiên c ứ u
Đối tượng nghiên cứu là cọc xi măng đất sử dụng làm tường chống thấm.
Ph ạ m vi nghiên c ứ u
Nghiên cứu này tập trung vào việc chống thấm cho nền đập đất ven biển Nam Trung Bộ thông qua phương pháp khoan phụt áp lực cao (Jet-Grouting), với trọng tâm là công trình Hồ Núi Một tại huyện Ninh Phước, tỉnh Ninh Thuận.
Cách ti ế p c ận và phương pháp nghiên cứ u
Cách ti ế p c ậ n
- Tiếp cận có kế thừa
+ Điều tra, thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu;
+ Khảo sát thực tế những công trình đã ứng dụng công nghệ xử lý chống thấm đập đất của Việt Nam;
+ Nghiên cứu tài liệu, tiêu chuẩn trong và ngoài nước đã công bố về cọc xi măng đất để có hướng đi đúng đắn
- Tiếp cận bằng thực tiễn và xuất phát từ thực tiễn
Tiến hành điều tra và thống kê hư hỏng công trình thủy lợi giúp xác định nguyên nhân gây ra sự cố Dựa trên đó, chúng ta có thể phân loại các loại hư hỏng và đề xuất các phương pháp chống thấm hiệu quả cho công trình trên các loại đất nền khác nhau.
- Tiếp cận trên cơ sở hiệu quả kinh tế- kỹ thuật
Việc ứng dụng công nghệ Jet-grouting trong chống thấm nền công trình thủy lợi còn mới mẻ, do đó cần xem xét kỹ lưỡng điều kiện áp dụng, ưu nhược điểm của phương pháp Đồng thời, cần đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật, tiến độ thi công, mức đầu tư, giải phóng mặt bằng và tính hiệu quả kinh tế - xã hội.
Phương pháp nghiê n c ứ u
4.2.1 Nghiên cứu lý thuyết dựa trên các nguồn tài liệu
Báo cáo tổng kết đề tài độc lập cấp Nhà nước "Nghiên cứu giải pháp KHCN để nâng cấp sửa chữa cống dưới đê" đã trình bày những kết quả nghiên cứu ban đầu về hệ số thấm của XMĐ và hiệu quả chống thấm cho các công trình đã được thử nghiệm.
Báo cáo kết quả thí nghiệm cọc và vật liệu XMĐ được thi công bằng phương pháp Jet-grouting tại bãi thử cọc Đồ Sơn - Hải Phòng, do Viện KHCNXD thực hiện vào năm 2004, thuộc đề tài Cống dưới đê.
Báo cáo tổng kết dự án sản xuất thử nghiệm độc lập cấp Nhà nước năm 2009, do Viện Khoa học Thủy lợi thực hiện, tập trung vào việc hoàn thiện công nghệ khoan phụt vữa áp lực cao Mục tiêu của dự án là nâng cao khả năng chống thấm cho các công trình thủy lợi, góp phần cải thiện hiệu quả và độ bền của các công trình này trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.
- Tài liệu nghiên cứu của nước ngoài đã công bố như:
+ A Porbaha at all: “State of the art in deep mixing technology” part II and
II:-Ground improvement (1998) Trong tài liệu này đã công bố một số kết quả nghiên cứu khá toàn diện và đầy đủ về công nghệ vật liệu, trong đó có hệ số thấm của cọc xi măng đất;
+ Tiêu chuẩn Châu Âu EN 12716: 2001 Tiêu chuẩn thực hiện các công tác địa kỹ thuật đặc biệt: Khoan phụt cao áp (Jet-grouting), được CEN thông qua ngày
Vào ngày 16 tháng 4 năm 2001, các thành viên của CEN phải tuân thủ quy định nội bộ của CEN/CENELEC để áp dụng tiêu chuẩn này thành tiêu chuẩn quốc gia mà không thay đổi nội dung.
TCXD VN 385-2006 quy định về xử lý đất yếu bằng cột ximăng đất, được soạn thảo bởi Viện KHCNXD Tiêu chuẩn này tập trung vào việc ứng dụng cột ximăng đất để gia cố nền công trình, với công nghệ chủ yếu là cột ximăng đất trộn cơ khí, sử dụng vữa phunkhô hoặc ướt với áp lực thấp từ 50 đến 70 at.
- Kế thừa các thí nghiệm trong phòng:
+ Thí nghiệm mẫu đúc trong phòng với đất lấy từ công trình Hồ Núi Một; + Lấy mẫu khoan hiện trường về thí nghiệm thấm trong phòng.
- Kế thừa thí nghiệm hiện trường:
+ Các cọc hiện trường sau khi khoan đổ nước thí nghiệm trong các hố khoan để đánh giá hệ số thấm của tường;
+ Thí nghiệm đánh giá độ kín khít, khuyết tật của tường theo yêu cầu của thiết kế bằng đo điện trở suất.
K ế t qu ả d ự ki ến đạt đượ c
Hiện trạng an toàn của các đập đất đang gặp nhiều vấn đề, với nguyên nhân hư hỏng chủ yếu là do yếu tố địa chất và môi trường Việc so sánh và đánh giá mức độ an toàn của các đập đất được xây dựng trên nền địa chất khác nhau cho thấy sự khác biệt rõ rệt về khả năng chịu lực và ổn định Phân tích này giúp nhận diện các rủi ro tiềm ẩn và đề xuất các biện pháp cải thiện nhằm đảm bảo an toàn cho các công trình đập đất.
Lựa chọn hình thức kết cấu, giải pháp và công nghệ thi công chống thấm là rất quan trọng để phù hợp với điều kiện đập đất trên nền bồi tích ven biển Nam Trung Bộ Việc áp dụng các phương pháp thích hợp sẽ đảm bảo hiệu quả và độ bền cho công trình, đồng thời giảm thiểu rủi ro từ tác động của môi trường.
Đề xuất và giới thiệu công nghệ chống thấm nền đập bằng cọc xi măng đất là giải pháp phù hợp với điều kiện địa chất ven biển Nam Trung Bộ Công nghệ này không chỉ đảm bảo tính hiệu quả trong việc ngăn chặn thấm nước mà còn phù hợp với đặc điểm địa chất của khu vực, góp phần nâng cao độ bền và an toàn cho các công trình thủy lợi tại đây.
- Vận dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế, thi công đập đất Hồ Núi Một, huyện Ninh Phước, tỉnh Ninh Thuận.
TỔNG QUAN V Ề ĐẬP ĐẤ T VÀ CÁC GI Ả I PHÁP CH Ố NG TH Ấ M
Tình hình xây d ựng đậ p v ậ t li ệu địa phương trên thế gi ớ i
Từ hàng nghìn năm trước công nguyên, nhiều quốc gia như Ai Cập, Ấn Độ, Trung Quốc và các nước Trung Á thuộc Liên Xô đã xây dựng đập với mục đích trữ nước cho tưới tiêu và phòng chống lũ Theo thống kê của Hội đập cao thế giới (ICOLD), tính đến năm 2000, trên toàn cầu có khoảng 45.000 đập lớn.
Bảng thống kêsố lượng đập các châu lục xem bảng Phụ lục 1
Các thống kê về thể loại đập của ICOLD - 1986 cho thấy: 78% xây dựng là đập đất, 5% đập đá đổ, 12% đập bê tông trọng lực, đập vòm 4% Điển hình là ở
Từ năm 1963, tại Mỹ, đập bằng vật liệu địa phương, chủ yếu là đập đất, chiếm đến 75% tổng số đập được xây dựng Trong khi đó, Canada chỉ xây dựng một đập bê tông duy nhất trong cùng thời gian, còn lại đều là đập bằng vật liệu địa phương Tại Anh, trước năm 1964, tỷ lệ đập vật liệu địa phương chỉ chiếm 4%, nhưng từ năm 1964 trở đi, con số này đã tăng lên 67% Ngoài ra, các nước thuộc Liên Xô cũ và Trung Quốc cũng ghi nhận sự phát triển mạnh mẽ của đập vật liệu địa phương.
Đập đất là loại hình đập phổ biến nhất trong số các đập vật liệu địa phương đã được xây dựng Thông tin chi tiết về các đập đất lớn trên thế giới có thể được tìm thấy trong bảng Phụ lục 2, cùng với một số hình ảnh minh họa từ VNCOLD “Hội đập lớn và phát triển nguồn nước Việt Nam”.
Hình 1.1 Đập đất Nurek trên sông Vakhsh ở Tajikistan
Tình hình xây d ựng đậ p v ậ t li ệu địa phương trong nước
Việt Nam hiện có gần 500 đập cao (H≥10 m) được xây dựng theo tiêu chuẩn của Hội đập cao thế giới (ICOLD), chủ yếu là đập vật liệu địa phương Đập vật liệu địa phương tại Việt Nam rất đa dạng, trong đó đập đất được xây dựng bằng các loại đất như đất pha tàn tích sườn đồi, đất bazan và đất ven biển miền Trung Phần lớn các đập ở miền Bắc và miền Trung được thiết kế theo hình thức đập đất đồng chất hoặc có thiết bị chống thấm như tường nghiêng, tường tâm và chân khay bằng đất sét Gần đây, một số công nghệ mới đã được áp dụng, chẳng hạn như tường lõi chống thấm bằng bê tông cốt thép tại đập Tràng Vinh, thảm sét Bentonite cho đập Núi Một và hào Bentonite cho đập Eaksup Đắc Lắc.
Xem hình 1.2, hình 1.3 và được thống kê qua bảng Phụ lục 3
Hình 1.2 Đập đất Hàm Thuận Hình 1.3 Đập Sông sắt Ninh Thuận
S ự c ầ n thi ế t xây d ựng đập đấ t
Công trình thủy lợi đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, bao gồm các hồ chứa nước lớn và hàng trăm công trình vừa và nhỏ, hệ thống kênh tưới tiêu, đê điều, cống ngăn mặn, và đê quai lấn biển Những công trình này không chỉ giúp giảm nhẹ thiên tai mà còn cải tạo môi trường, cấp thoát nước, phát điện, từ đó tạo điều kiện cho sự phát triển kinh tế và nâng cao đời sống của người dân.
Trong xây dựng hồ chứa, đập đất là lựa chọn phổ biến do sử dụng nguyên liệu tại chỗ, chi phí thấp và thi công đơn giản, phù hợp với nhiều điều kiện địa hình Tuy nhiên, đập đất phải đối mặt với áp lực nước tĩnh và động, dẫn đến nhiều vấn đề kỹ thuật phức tạp Sự hiện diện của dòng thấm trong thân và nền công trình yêu cầu gia tăng kích thước mặt cắt ngang và quy trình thi công nghiêm ngặt Để giảm thiểu tác động của ngoại lực lên các đập đất, cần hiểu rõ bản chất của các nội lực phát sinh trong công trình.
Hiện nay, sự phát triển nhanh chóng của các công cụ tính toán và phần mềm ứng dụng đã giúp chúng ta giải quyết nhiều vấn đề khoa học và công nghệ phức tạp liên quan đến các công trình thuỷ công.
Đập đấ t và tính ch ấ t làm vi ệ c c ủa đập đấ t
1.4.1 Khái niệm về đập đất Đập đất là đập xây dựng bằng các loại vật liệu có sẵn ở địa phương từ các sản phẩm của bồi tích, sườn tích hoặc phong hoá như sét, á sét, á cát, cuội sỏi… Đập đất có hình dạng cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, bền, chống động đất tốt, có khả năng cơ giới hóa cao trong thi công, dễ quản lý dễ tôn cao, đắp dày và có thể đắp đập trên mọi loại nền đây là loại đập được ứng dụng rộng rãi nhất ở nhiều nước trên thế giới và ở Việt Nam.
1.4.2 Đặc điểm và tính chất làmviệc của đập đất
Đập đất là công trình không cho nước tràn qua bề mặt, có chức năng dâng và giữ nước để tạo ra hồ chứa Nó thường kết hợp với các công trình khác như đập tràn và cống lấy nước trong hệ thống công trình thủy lợi.
Thân đập và nền đập cần đảm bảo khả năng chịu lực do khối lượng xây dựng lớn và các tác động ngoại lực phức tạp Đặc biệt, việc duy trì ổn định về thấm và chống trượt của nền và mái dốc là yếu tố quan trọng cần được chú trọng.
Mái đập thường xuyên bị ảnh hưởng bởi sóng, gió và mưa nắng, dẫn đến nguy cơ sạt lở cao Để bảo vệ mái đập đất, người ta thường gia cố bằng các vật liệu như lát đá, tấm bê tông và trồng cỏ.
Dòng thấm trong thân đập làm giảm khả năng ổn định chống trượt của mái và có thể gây ra xói ngầm, dẫn đến hư hỏng công trình Hiện tượng này xuất hiện ở cả thân đập, nền đập và vai đập với các trị số và phương tác dụng khác nhau Tại các vị trí tiếp giáp, cửa ra, gradien lớn của dòng thấm thường gây ra hiện tượng trồi, đùn đất Do đó, để ngăn cản sự chuyển dịch của hạt đất theo dòng thấm, đập đất cần có các thiết bị lọc ngược trong thân đập hoặc mái hạ lưu.
Đối với các đập đất xây dựng trên nền yếu hoặc những đập hoạt động trong thời gian dài, hiện tượng thấm có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng, làm tăng nguy cơ mất an toàn cho công trình.
Phân lo ại đập đấ t
Đập đất có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm chiều cao cột nước dâng trong hồ, phương pháp xây dựng, cấu tạo mặt cắt ngang đập, thiết bị chống thấm nền đập và cấp công trình.
1.5.1 Phân loại theo chiều cao cột nước lớn nhất
Bảng 1.1 Phân cấp đập đất theo tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN 285: 2002
Cấp đập Trị số cột nước lớn nhất (m)
Nền đá Nền đất cát, đất hòn thô,
Nền đất sét bão hoà
1.5.2 Phân loại theo kết cấu mặt cắt ngang đập [6]
- Đập đồng chất: Là đập chỉ xây dựng bằng một loại đất thường dùng với nền không thấmhoặc ít thấm (hình 1.4a).
Đập hỗn hợp được xây dựng từ nhiều loại đất có tính chất cơ lý khác nhau, trong đó đất có khả năng chống thấm tốt được đặt ở vị trí thượng lưu hoặc ở giữa thân đập Ngoài ra, còn tồn tại loại đập hỗn hợp đất đá.
Đập có tường nghiêng là loại đập sử dụng vật liệu chống thấm, bao gồm các loại dẻo như sét, á sét, vải lọc, hoặc cứng như bê tông, bê tông cốt thép, kim loại, được đặt ở mái thượng lưu Loại đập này thường được áp dụng khi cần yêu cầu chống thấm cao cho thân đập.
- Đập có lõi giữa:Là đập có vật chống thấm loại cứng hay loại dẻo đặt giữa thân đập (hình 1.4h,j)
Hình 1.4 Các loại đập đất
1.5.3 Phân loại theo thiết bị chống thấm nền đập [6]
Khi nền đất có tính thấm nước cao, biện pháp chống thấm hiệu quả thường sử dụng là xây tường nghiêng hoặc cắm lõi giữa sâu xuống tầng đất không thấm Có nhiều loại phương pháp chống thấm khác nhau để áp dụng trong thực tế.
Đập đồng chất chân răng là loại đập có chân răng cắm sâu vào nền đất Phương pháp này thường được áp dụng khi hệ số thấm của đập (Kđập) thấp hơn nhiều so với hệ số thấm của nền (K nền), và khi tầng không thấm nằm ở độ sâu không quá lớn.
- Đập có lõi giữa tường răng:Kéo dài lõi giữa xuống tận tầng không thấm Dùng khi tầng thấm không lớn (hình 1.4k).
- Đập có tường nghiêng chân răng: Kéo dài tường nghiêng xuống tận tầng không thấm Dùng khi tầng thấm không lớn (hình 1.4l).
Đập có bản cọc, hay còn gọi là tường cừ, được sử dụng trong trường hợp nền đất thấm nước không phải là đá Khi nền thấm nước có bề dày giới hạn, bản cọc có thể được cắm sâu xuống tầng không thấm Ngược lại, nếu tầng thấm nước rất sâu hoặc vô hạn, bản cọc sẽ chỉ được đóng xuống một giới hạn nhất định Mục đích của việc này là để gia tăng chiều dài đường thấm, giảm gradient thấm và hạn chế độ thấm nước qua nền đập.
Đập có màng phun xi măng được sử dụng để chống thấm hiệu quả trong các trường hợp như đá bị nứt nẻ, mạch thấm ngầm, đá vôi có hiện tượng các-tơ, và tầng cuội sỏi dày Tùy thuộc vào độ sâu của nền đá và khả năng thi công màng xi măng, có thể cắm sâu đến tầng không thấm hoặc chỉ đến một giới hạn nhất định.
Đập có tường nghiêng sân trước là giải pháp chống thấm hiệu quả cho nền khi nền đất có độ thấm nước sâu hoặc vô hạn Sân trước có thể được xây dựng bằng vật liệu đồng chất hoặc kết hợp với tường nghiêng và lõi giữa, đảm bảo tính bền vững và khả năng chống thấm.
Hư hỏng đập đấ t
1.6.1 Những sự cố về đập đất trên thế giới
Theo thống kê đánh giá của Ủy ban Quốc tế về đập lớn (ICOLD) thì tỷ lệ vỡ đập qua các thời kỳ được thể hiện ở bảng 1.2
Bảng 1.2 Tỷ lệ vỡ đập qua các thời kỳ [18]
Thời gian Tỷ lệ vỡ đập %
Châu Á, châu Mỹ và châu Âu là những khu vực có số lượng đập xây dựng lớn, dẫn đến tỷ lệ vỡ đập cao nhất Theo số liệu từ ICOLD, tính đến năm 1998, tỷ lệ vỡ đập của các châu lục được thể hiện rõ trong biểu đồ (hình 1.4).
Biểu đồ tỷ lệ vỡ đập ở các châu lục cho thấy tình hình an toàn của các công trình thủy lợi Theo thống kê, nguyên nhân gây ra các vụ vỡ đập đất chủ yếu liên quan đến thiết kế không đảm bảo, điều kiện địa chất không ổn định và bảo trì kém Việc hiểu rõ những nguyên nhân này là rất quan trọng để nâng cao độ an toàn cho các công trình thủy lợi toàn cầu.
- Nước lũ tràn đỉnh đập 30%
Hình 1.6 Biểu đồ tỷ lệ nguyên nhân sự cố đập đất [8]
Tình trạng thấm là vấn đề phổ biến ở các đập đất, gây ra nhiều sự cố nghiêm trọng tại các hồ chứa Dưới đây là một số ví dụ điển hình về tình trạng này.
1.6.2.1 Trên thế giới Đập đất Teton được xây dựng trên sông Teton, bang Idaho, tây bắc nước Mỹ có chiều cao 93 m, chiều dài ở đỉnh 940 m, đáy rộng 520 m, tạo hồ chứa có dung tích 289 triệu m 3 Đập được khởi công năm 1975 và hoàn thành sau hơn 1 năm khi hồ đầy nước, khi lũ lớn về thì bị vỡ ngày 5/6/1976 Nguyên nhân được xác định là nền đá rhyolite có nhiều nứt nẻ nhưng khoan phụt không đạt yêu cầu, nước hồ dâng cao tạo thành dòng thấm mạnh, đậpbị xói ngầm nghiêm trọng rồi vỡđập.
Hình 1.7 Đập Teton (Mỹ) bị vỡ
Đập Unmun, nằm ở phía Tây Nam Hàn Quốc, được xây dựng vào năm 1992 và nâng cấp vào năm 1998, có chiều cao 55m, chiều dài 407m và dung tích hồ 126 triệu m³, với nhiệm vụ chính là cấp nước Tuy nhiên, vào năm 1998, ba hố sụt có kích thước gần 2m xuất hiện trên đỉnh đập, do kết quả đo thấm vượt mức cho phép từ 1200 đến 6000 m³/ngày đêm, dẫn đến tình trạng sụt đất Vấn đề nghiêm trọng hơn do lõi đất sét trong thân đập được thi công không đạt tiêu chuẩn, tạo thành một tầng xung yếu kéo dài suốt chiều dài đập, khiến khi hồ tích nước, dòng thấm đã xuất hiện qua khu vực này.
Hình 1.8 Mặt cắt ngang đập Unmun (Hàn Quốc) bị vỡ
Đập cũ, đặc biệt là các đập vừa và nhỏ, thường gặp vấn đề do chất lượng thi công không đạt tiêu chuẩn, dẫn đến hiện tượng thấm nước và nguy cơ vỡ đập Một ví dụ điển hình là vụ vỡ đập Suối, cho thấy sự cần thiết phải nâng cao kỹ thuật xây dựng và bảo trì các công trình thủy lợi.
Trong những năm qua, nhiều đập thủy điện tại Việt Nam đã gặp phải vấn đề thấm nghiêm trọng, như đập Suối Hành (1999) và đập Zếch 20 (2009) Hiện tại, đập Dầu Tiếng ở Tây Ninh đang phải xử lý tình trạng thấm lớn qua nền đập bằng tường ximăng-Bentonite Ngoài ra, thấm qua thân các đập Khe cũng là một vấn đề cần được chú ý.
Chè, Chúc Bài Sơn (Quảng Ninh), Kim Sơn (Hà Tĩnh), Hoà Trung (Đà Nẵng), Hội Sơn (Bình Định), Cù Lây (Hà Tĩnh), Am Chúa (Khánh Hòa), Nước Ngọt, Sông Biêu và Phước Trung (Ninh Thuận) là những công trình thủy lợi đã phải tháo cạn hồ để phòng ngừa nguy cơ vỡ đập.
Kỹ thuật đầm đất trong xây dựng đập thường gặp vấn đề do các đơn vị thi công không chuyên thực hiện một cách cẩu thả Việc sử dụng lu bánh lốp để đầm đất có thể tạo ra các lớp phân cách không đồng nhất, dẫn đến tình trạng nước thấm qua các mặt phân cách này khi tích nước.
Đầm sót là vấn đề phổ biến ở các đập được chia cho hai đơn vị thi công, đặc biệt tại ranh giới giữa hai nhà thầu, nơi dễ xảy ra hiện tượng thấm Nguyên nhân có thể do sự giám sát lỏng lẻo, dẫn đến việc đơn vị thi công sử dụng đất không đạt tiêu chuẩn từ khu vực khác để đắp Khi nước được tích lại, hiện tượng thấm sẽ xuất hiện tại những vị trí này.
Xử lý tiếp giáp là một bước quan trọng trong xây dựng, đặc biệt tại vị trí tiếp giáp với cống lấy nước Tại vùng vai đập, nếu máy đầm không xử lý hiệu quả, cần sử dụng đầm cóc thủ công để đảm bảo chất lượng Việc thi công không được chú trọng và thiếu sự giám sát chặt chẽ có thể dẫn đến tình trạng thấm tại các vị trí tiếp giáp.
Quy định về chỉ tiêu kỹ thuật trên bản vẽ chưa được chặt chẽ, khi nhiều bản thiết kế chỉ quy định dung trọng khô cho việc đắp đập Điều này chỉ đúng trong trường hợp mỏ vật liệu đắp đồng đều Tuy nhiên, nếu trong quá trình thi công gặp phải vùng mỏ vật liệu có nhiều hạt thô, dung trọng có thể đạt nhưng độ chặt không đảm bảo, dẫn đến hiện tượng thấm lớn.
Xử lý vật liệu đắp đập là rất quan trọng, đặc biệt khi gặp phải vùng vật liệu đất đắp có tính trương nở hoặc tan rã Những khu vực đất có hàm lượng sét cao thường dẫn đến độ ẩm lớn, nhưng thiết kế không đưa ra biện pháp xử lý cụ thể Điều này có thể gây ra nguy cơ nứt đập và tình trạng thấm lớn, ảnh hưởng đến tính ổn định và an toàn của công trình.
Xử lý tiếp giáp là rất quan trọng, đặc biệt ở vùng vai đập có độ dốc lớn, vì nếu không thực hiện đúng kỹ thuật, dễ xảy ra hiện tượng trượt giữa đất đắp và nền, dẫn đến tình trạng thấm nước Ngoài ra, nếu bản vẽ quy định mái dốc của đợt đắp trước quá dốc, việc đắp đợt sau cũng có thể gây trượt giữa hai khối đắp.
Nhiều khu vực gặp khó khăn trong việc tìm kiếm vật liệu chống thấm, dẫn đến việc đất đắp không đạt yêu cầu về khả năng thấm nước Thiếu các giải pháp thiết kế chống thấm tăng cường sẽ dễ dàng gây ra tình trạng thấm nước.
- Thấm do nguyên nhân khác:
+ Hỏng khớp nối cống: khớp nối cống bị hỏng, dòng chảy có áp phun ra xung quanh gây thấm dọc theo cống;
Các công ngh ệ ch ố ng th ấm cho đập đấ t
Trong bối cảnh thiết kế và sửa chữa đập đất hiện nay, nhiều phương án và giải pháp kỹ thuật đã được áp dụng để xử lý hiệu quả Điểm nhấn là các biện pháp chống thấm qua thân và nền đập, cũng như việc hạ thấp cửa ra đường bão hòa trong thân đập Các biện pháp này nhằm nâng cao tính an toàn và độ bền cho công trình.
1.7.1 Tường nghiêng, sân phủ bằng đất sét
Tường nghiêng và sân phủ giúp kéo dài đường viền thấm, là giải pháp phổ biến trong nhiều công trình nhờ vào tính dễ thi công và chi phí thấp Tuy nhiên, đối với các công trình có nền thấm nước dày mà không có đất sét sẵn có, như ở Nam Trung Bộ và Tây Nguyên, giải pháp này không mang lại hiệu quả kinh tế.
Với các hồ đập đang tích nước thì giải pháp này thường không được chọn vì phải tháo cạn hồ để thi công.
1.7.2 Tường nghiêng bằng màng HDPE, thảm sét địa kỹ thuật,
Phương pháp này đã được áp dụng tại một số công trình cỡ vừa và nhỏ (H 20 thì [ J ] = 0,1 Với đất dính có lực dính, do đó tác dụng của của dòng thấm đối với nó phải đòi hỏi có độ dốc thủy lực lớn hơn so với đất rời Qua nhiều thí nghiệm với đất dính cho đến khi kết cấu bị phá hoại cho hay rằng dù trong trường hợp độ dốc thủy lực lớn ( J > 7; J > 20) dòng thấm cũng không phá hoại được đất dính theo hình thức xói ngầm hay chảy đất.
Có một số tài liệu đề nghị độ dốc thủy lức cho đất đắp có tính dính như sau: đất thịt pha cát [J] < 4, đất thịt [J] = 4 đến 7, đất sét [J] = 7 đến 12.
Căn cứ vào lý luận chung như trên, muốn tương XMĐ bảo đảm an toàn chống thấm thì: J ≤ [ Jxmđ ] hay ∆H ≤ [∆H ]
Độ dốc thủy lực J được xác định bằng tính toán lưới thấm khi dòng thấm xuyên qua tường Gradient xói cho phép [Jxmđ] của tường XMĐ được xác định thông qua thí nghiệm xói ngầm đến giới hạn, sau đó chia cho hệ số triết giảm từ 2,5 đến 3,0 như đã đề cập.
Tổn thất cột nước khi đi qua tường hào xác định theo công thức:
∆H = t J xmđ Trong đó t là chiều dày tường. và [∆H] = tmin [J xmđ ] Trong đó tmin là chiều dày tường chỗ nhỏ nhất.
2.4.4 Phương pháp thí nghiệm xác định [ J xmđ ]
Trong thí nghiệm về xói ngầm, cột nước được nâng dần và giữ ổn định trong 30 phút mỗi lần Nếu xuất hiện hiện tượng xói ngầm, cột nước sẽ được hạ từ từ cho đến khi không còn xói ngầm xảy ra, sau đó lại tăng cột nước lên Quy trình này được lặp lại cho đến khi xác định được cột nước xói ngầm thấp nhất, từ đó xác định cột nước giới hạn Kết quả thí nghiệm được trình bày trong hình 2.7.
Hình 2.7 Thí nghiệm xói ngầm
Trong thiết kế cần biết các thông số sau:
- Giới hạn độ bền thấm J.
Hệ số thấm k để tính toán đường mực nước trong thân đập và ổn định mái dốc Giới hạn độ bền thấm J để tính toán chiều dày tường.
Hệ số thấm k được xác định thông qua mẫu chế bị thí nghiệm thấm trong phòng và được kiểm tra bằng thí nghiệm ép hoặc hút nước tại hiện trường Để xác định độ bền thấm J, cần thực hiện thí nghiệm thấm trong phòng với cột nước thay đổi, từ đó thiết lập mối quan hệ k ~ J nhằm tìm ra giá trị cột nước tại đó hệ số thấm k có sự thay đổi đột ngột.
Trong đó: [J] : Gradient thấm cho phép.
H l : Cột nước thí nghiệm mà tại đó có sự thay đổi của k (m).
L : Chiều cao mẫu thí nghiệm (chiều dài đường thấm) (m). n : Hệ số an toàn.
Hình 2.8 Sơ đồ thí nghiệm thấm có cột nước thay đổi
Chiều dày tường chống thấm
Trong đó: ΔH cột nước chênh lệch trước và sau tường, xác định qua tính thấm (m) Độ bền thấm cũng có thể lấy theo bảng 2.2 dưới đây:
Bảng 2.2 Gradient thấm kiểm tra cho phép
Loại đất nền [J] khi công trình cấp
I II III IV - V Đất sét 0,70 0,80 0,90 1,08 Đất á sét 0,35 0,40 0,45 0,54
M ộ t s ố cách b ố trí tườ ng ch ố ng th ấ m b ằng ximăng - đất trong đập đấ t
2.5.1 Tường lõi xi măng - đất
Kết cấu tường lõi bằng cọc xi măng đất (hình 2.9) thường dùng để tăng mức độ chống thấm cho các đập đồng chất cũ bị thấm
2.5.2 Tường đanh XMĐ kết hợp tường nghiêng
Khi nền đập có hệ số thấm lớn, thường là cát hoặc cát pha, việc bóc bỏ lớp thấm để thay thế bằng đất đắp chống thấm tốt gặp nhiều khó khăn do độ dày lớn và mực nước ngầm cao Trong trường hợp này, thiết kế tường tại chân thượng lưu được xem là giải pháp hợp lý Tường này sẽ cắm xuyên qua toàn bộ tầng thấm nước, với đỉnh tường liên kết chặt chẽ với tường nghiêng, có thể sử dụng đất sét hoặc các vật liệu chống thấm như màng HDPE và Geo-clay mat.
Hình 2.10 Tường đanh XMĐ kết hợp tường nghiêng
2.5.3.Tường ngầm XMĐ cắt qua lớp xen kẹp
Trong một số trường hợp, dưới lớp đất tốt có thể tồn tại một lớp cát xen kẹp dạng thấu kính trong khu vực lòng suối Nếu không thực hiện biện pháp chống thấm cho lớp cát này, đập sẽ gặp nguy cơ mất an toàn về thấm Do đó, cần có biện pháp xử lý nút bịt cắt qua lớp cát nếu việc bóc bỏ lớp đất tốt để xử lý chống thấm cho lớp xen kẹp không khả thi về mặt kinh tế hoặc phức tạp.
Hình 2.11 Tường ngầm XMĐ cắt qua lớp xen kẹp
Ứ ng d ụ ng c ọc xi măng đất làm tườ ng ch ố ng th ấm trong đập đấ t
2.6.1 Cơ sở bố trí tường xi măng đất trong đập đất
Tường xi măng đất có thể được bố trí ở thượng lưu, tim đập hoặc hạ lưu tùy thuộc vào điều kiện thi công và làm việc, cũng như sự biến dạng và ổn định của công trình Lựa chọn vị trí tối ưu cần phải trải qua quá trình phân tích và tính toán kỹ lưỡng.
Tường xi măng đất trong nền chịu tải phân bố hình thang trong quá trình xây dựng và tải trọng ngang từ nước ở thượng lưu đập khi công trình hoạt động Biến dạng ngang của công trình có xu hướng nghiêng về hạ lưu, và sự ổn định của công trình phụ thuộc vào phân bố dòng thấm trong thân và nền đập.
2.6.1.1 Tường XMĐ đặt ở thượng lưu công trình Ở vị trí này, đường bão hoà trong thân đập giảm nhanh do đất xây dựng đập là đất á sét và nền á cát thoát nước nhanh và biến dạng ngang lớn nhất xuất hiện ở vùng hạ lưu; quanh tường XMĐ biến dạng xuất hiện khá nhỏ Ưu điểm: Thi công và sửa chữa dễ dàng Trong quá trình thi công có thể đắp đập phần giữa đập và hạ lưu trước, đồng thời thi công phần tường chống thấm Trong vận hành, nếu quan trắc hiện tượng thấm lớn có thể bổ sung sửa chữa tường XMĐ dễ dàng Dễ quan trắc trong vận hành.
Lớp đất đắp phía thượng lưu dễ bị biến dạng do tiếp xúc với nhiệt độ, độ ẩm và sóng gió, vì vậy cần gia cố bảo vệ chắc chắn Ngoài ra, do đường bão hòa giảm nhanh, gradient thủy lực lớn, nên cần tính toán kiểm tra vận tốc dòng chảy tới hạn ở hạ lưu để hạn chế xói ngầm và đùn đất.
2.6.1.2 Tường XMĐ đặt ở ví trí giữa tim công trình Ở vị trí này, tường XMĐ bị ảnh hưởng biến dạng ngang của khối đất đắp và nền đập nên biến dạng tường xi măng đất thường lớn; Do đường bảo hoà giảm chậm nên gradient thuỷ lực qua tường XMĐ nhỏ. Ưu điểm: Tường nằm trong thân đập nên ít bị ảnh hưởng môi trường.
Nhược điểm: Thi công tường ảnh hưởng lớn đến tiến độ thi công đắp đập;
Do tường nằm ở vị trí giữa nên rất khó thi công các khối đắp đập; Theo dõi trong vận hành và sửa chữa rất khó khăn.
2.6.1.3 Tường XMĐ đặt ở hạ lưu công trình
Đường bão hoà dâng cao dẫn đến khối đất đắp thân đập bị bão hoà nước, làm tăng biến dạng thân đập về phía hạ lưu Hệ số an toàn giảm đáng kể, gây bất lợi cho vận hành và ổn định lâu dài, vì vậy nên kiến nghị không sử dụng phương pháp này.
2.6.2 Các hình thức bố trí
Tùy thuộc vào khả năng chống thấm, biến dạng và ổn định của công trình, cần lựa chọn chiều dày tường xi măng đất phù hợp với loại thiết bị thi công Chiều dày tường có thể được bố trí thành một hàng hoặc nhiều hàng.
2.6.3 Lựa chọn phương pháp tính toán
2.6.3.1 Cơ sở xác định tính biến dạng của cọc xi măng đất trongnền đập đất
Theo nghiên cứu của Theo Kitazume và các cộng sự (2000), một loạt thí nghiệm ly tâm và phân tích FEM đã được thực hiện trên các mẫu cọc xi măng đất dưới tác động của tải trọng đứng và ngang Các kết luận chính từ nghiên cứu này đã được rút ra để hiểu rõ hơn về hành vi của cọc xi măng đất trong các điều kiện tải trọng khác nhau.
Phá hoại cọc xi măng đất có thể dẫn đến hiện tượng đứt gãy, xô lệch và sụp do uốn, tùy thuộc vào điều kiện tải trọng và độ bền của cọc.
Trong trường hợp xảy ra đứt gãy, cọc xi măng đất có thể bị cắt hoặc phá hoại do tác động của uốn, điều này phụ thuộc vào điều kiện tải và vị trí của chúng trong nền đất.
Kaolin là một loại đất sét có khả năng chịu nhiệt tốt và thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp Đất sét Kaolin có thể được sử dụng để sản xuất các sản phẩm như gạch, sứ và các vật liệu xây dựng khác Việc sử dụng Kaolin trong sản xuất không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường Đặc biệt, Kaolin có trọng lượng nhẹ và dễ dàng vận chuyển, giúp tiết kiệm chi phí trong quá trình sản xuất.
Hình 2.12 Sơ đồ thí nghiệm ly tâm (Kitazumi et al, 2000)
Hình 2.13 Phá hoại xô lệch trụ và uốn trụ (Kitazumi et al, 2000)
Theo Kivelo (1998) và Broms (1999) các dạng phá hoại của trụ xi măng đất do tải trọng đứng và ngang trong nền được minh họa như hình 2.14
Hình 2.14 Các dạng phá hoại của tường xi măng đất
Dạng phá hoại a xảy ra khi khớp đàn hồi hình thành bên dưới mặt trượt, dẫn đến momen uốn lớn nhất vượt quá khả năng chịu của trụ Trong trường hợp này, phần cao hơn của trụ sẽ xoay quanh khớp đàn hồi khi nền đường bị phá hoại Hiện tượng này thường xảy ra khi chiều sâu của khối đất trượt nhỏ hơn chiều dài của trụ, với giả thuyết rằng trụ quay như một xương cứng quanh khớp đàn hồi và sự quay này là tương đối lớn.
Khi chiều sâu của khối đất trượt tăng lên, mô men uốn lớn nhất trong trụ trên mặt phá hoại cũng gia tăng Khi mô men này đạt đến khả năng chịu mô men của trụ, một khớp đàn hồi thứ hai phát triển, dẫn đến phá hoại dạng b, trong đó mô men uốn lớn nhất đạt đến giới hạn chịu lực của trụ.
Dạng phá hoại c được đặc trưng bởi sự biến dạng của khớp đàn hồi trên mặt trượt, khi mô men uốn vượt quá khả năng chịu của trụ Tại thời điểm phá hoại, phần dưới của trụ sẽ quay quanh khớp đàn hồi, xảy ra khi chiều sâu của mặt trượt lớn hơn chiều dài trụ Sự phân bố áp lực đất xung quanh, lực cắt và mô men uốn dọc theo trụ cũng là những yếu tố quan trọng trong kiểu phá hoại này.
Khi trụ nằm trong nền chịu lực phức tạp, nó sẽ phải chịu tác động của lực uốn và lực cắt Những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của trụ bao gồm độ bền, chiều dày, chiều sâu, cũng như vị trí của trụ hoặc tường.
2.6.3.2 Lựa chọn phương pháp tính toán