Luận văn thạc sĩ nghiên cứu giải pháp hợp lý xử lý thấm qua nền và thân đập đất của hồ chứa vừa và nhỏ ở tỉnh bình định ứng dụng cho công trình hồ chứa nước mỹ thuận

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu giải pháp xử lý thấm qua nền và thân đập đất tại hồ chứa vừa và nhỏ ở Bình Định, ứng dụng cho công trình hồ Mỹ Thuận.

• Tác giả: Lê Xuân Sơn
• Người hướng dẫn: GS.TS Phạm Ngọc Quý
• Trường học: Đại học Thủy lợi
• Đề tài: Nghiên Cứu Giải Pháp Hợp Lý Xử Lý Thấm Qua Nền Và Thân Đập Đất Của Hồ Chứa Vừa Và Nhỏ Ở Tỉnh Bình Định, Ứng Dụng Cho Công Trình Hồ Chứa Nước Mỹ Thuận
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Quy Nhơn

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐẤT VÀ THẤM QUA NỀN, THÂN ĐẬP ĐẤT
• 1.1. Khái quát chung về tình hình xây dựng đập vật liệu địa phương
• 1.1.1. Trên thế giới
• 1.1.2. Tình hình xây dựng đập vật liệu địa phương vừa và nhỏ ở Bình Định
• 1.2. Đánh giá các hư hỏng và sự cố của đập vật liệu địa phương dưới tác dụng của dòng thấm
• 1.2.1. Một số sự cố công trình thấm qua nền và thân đập gây vỡ đập điển hình, nguyên nhân và giải pháp khắc phục
• 1.3. Các kết quả đã nghiên cứu thiết kế đập vật liệu địa phương tại Bình Định
• 1.4. Kết luận chương I
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CHỐNG THẤM QUA NỀN, THÂN ĐẬP ĐẤT
• 2.1. Phương pháp tính thấm
• 2.1.1. Lý thuyết chung về thấm qua công trình đất
• 2.1.2. Tính thấm theo phương pháp lý luận
• 2.1.3. Giới thiệu phần mềm tính toán GeoStudio 2004
• 2.2. Các giải pháp chống thấm cho nền và thân đập đất
• 2.2.1. Giải pháp chống thấm bằng tường nghiêng sân phủ
• 2.2.2. Giải pháp chống thấm bằng tường nghiêng chân răng
• 2.2.3. Giải pháp chống thấm bằng tường lõi mềm kết hợp với chân răng
• 2.2.4. Giải pháp chống thấm bằng tường cừ chống thấm
• 2.2.5. Giải pháp chống thấm bằng khoan phụt (khoan phụt truyền thống)
• 2.2.6. Giải pháp chống thấm bằng công nghệ khoan phụt cao áp
• 2.2.7. Giải pháp chống thấm bằng tường hào Bentonite
• 2.3. Phân tích lựa chọn phương pháp hợp lý
• 2.3.1. Tiêu chí lựa chọn
• 2.4. Xây dựng tiêu chí thấm trong đánh giá an toàn đập đất
• 2.4.1. Khái quát chung về tiêu chí đánh giá an toàn đập và tiêu chí thấm
• 2.4.2. Đường bão hòa giới hạn trên
• 2.4.3. Đường bão hòa giới hạn dưới
• 2.4.4. Độ cao thoát nước giới hạn
• 2.4.5. Chiều dài thoát nước giới hạn
• 2.5. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CHỐNG THẤM HỢP LÝ CHO ĐẬP MỸ THUẬN
• 3.1. Giới thiệu chung về hồ chứa nước Mỹ thuận
• 3.1.1. Vị trí công trình
• 3.1.2. Qui mô công trình
• 3.2. Hiện trạng và đánh giá hiện trạng thấm ở đập Mỹ Thuận
• 3.2.1. Kiểm tra khả năng ổn định của đập hiện trạng
• 3.3. Các phương án chống thấm cho đập đất hồ Mỹ Thuận
• 3.3.1. Đề xuất các phương án chống thấm
• 3.3.2. Các chỉ tiêu tính toán trong bảng sau
• 3.3.3. Tính toán thấm, ổn định đập đất cho 02 phương án chọn
• 3.4. Phân tích chọn phương án chống thấm hợp lý
• 3.4.1. Phân tích phương án chống thấm
• 3.4.2. Tính toán kinh tế của 2 phương án chống thấm
• 3.4.3. Lựa chọn phương án chống thấm cho đập Mỹ Thuận
• 3.4.4. Tính toán ổn định đập đất cho phương án chọn
• 3.5. Xây dựng tiêu chí thấm trong giám sát thấm của hồ Mỹ Thuận
• 3.5.1. Tính toán xác định MNTL~ agh
• 3.6. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• Phụ lục 1: TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục 2: DANH MỤC CÁC HỒ CHỨA CÓ NGUY CƠ MẤT AN TOÀN TỈNH BÌNH ĐỊNH

Tóm tắt

I. Giải pháp xử lý thấm hiệu quả cho đập đất hồ chứa vừa và nhỏ tại Bình Định

Giải pháp xử lý thấm là một trong những yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và ổn định cho các đập đất hồ chứa tại Bình Định. Tỉnh Bình Định có hệ thống hồ chứa vừa và nhỏ với tổng số 165 hồ, trong đó nhiều hồ đã xuống cấp nghiêm trọng do thấm nước qua thân và nền đập. Việc nghiên cứu và đề xuất các giải pháp kỹ thuật phù hợp là cần thiết để khắc phục tình trạng này. Các giải pháp chống thấm được đề xuất bao gồm tường nghiêng, tường cừ, khoan phụt cao áp, và hào Bentonite. Những giải pháp này không chỉ giúp giảm thiểu thấm nước mà còn đảm bảo tính bền vững của công trình.

1.1. Tình hình thấm nước tại các hồ chứa vừa và nhỏ ở Bình Định

Tại Bình Định, nhiều hồ chứa vừa và nhỏ đã xuất hiện tình trạng thấm nước qua thân và nền đập. Điều này gây ra các vấn đề nghiêm trọng như sạt lở mái đập, lún đập, và xói lở hạ lưu. Nguyên nhân chính là do các hồ này được xây dựng từ những năm 1980 với thiết kế và vật liệu không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật hiện đại. Việc xử lý thấm hiệu quả là cần thiết để đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ của các công trình này.

1.2. Các giải pháp kỹ thuật chống thấm

Các giải pháp kỹ thuật chống thấm được đề xuất bao gồm: tường nghiêng sân phủ, tường cừ chống thấm, khoan phụt cao áp, và hào Bentonite. Mỗi giải pháp có ưu nhược điểm riêng và phù hợp với từng điều kiện địa chất cụ thể. Ví dụ, tường nghiêng sân phủ thích hợp cho các hồ có nền đất yếu, trong khi khoan phụt cao áp hiệu quả trong việc xử lý thấm qua nền đập. Việc lựa chọn giải pháp phù hợp cần dựa trên phân tích kỹ thuật và kinh tế.

II. Ứng dụng tại hồ Mỹ Thuận

Hồ Mỹ Thuận là một trong những hồ chứa quan trọng tại Bình Định, đang gặp phải vấn đề thấm nước nghiêm trọng. Việc áp dụng các giải pháp xử lý thấm tại hồ Mỹ Thuận không chỉ giúp khắc phục tình trạng hiện tại mà còn đảm bảo an toàn và hiệu quả lâu dài cho công trình. Các phương án chống thấm được đề xuất bao gồm tường nghiêng kết hợp sân phủ và hào Bentonite. Kết quả tính toán cho thấy các phương án này đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật và kinh tế.

2.1. Hiện trạng thấm tại hồ Mỹ Thuận

Hồ Mỹ Thuận hiện đang gặp phải tình trạng thấm nước qua thân và nền đập, gây ra các vấn đề như sạt lở mái đập và xói lở hạ lưu. Nguyên nhân chính là do công trình được xây dựng từ lâu với vật liệu và thiết kế không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật hiện đại. Việc xử lý thấm hiệu quả là cần thiết để đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ của hồ chứa.

2.2. Phương án chống thấm được lựa chọn

Sau khi phân tích các phương án chống thấm, phương án tường nghiêng kết hợp sân phủ và hào Bentonite được lựa chọn để áp dụng tại hồ Mỹ Thuận. Phương án này không chỉ giúp giảm thiểu thấm nước mà còn đảm bảo tính bền vững và kinh tế. Kết quả tính toán cho thấy phương án này đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật và an toàn của công trình.

III. Kết luận và kiến nghị

Việc nghiên cứu và đề xuất các giải pháp xử lý thấm hiệu quả cho các đập đất hồ chứa vừa và nhỏ tại Bình Định, đặc biệt là hồ Mỹ Thuận, có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và ổn định của các công trình thủy lợi. Các giải pháp được đề xuất không chỉ giúp khắc phục tình trạng thấm nước hiện tại mà còn đảm bảo tính bền vững lâu dài. Cần tiếp tục nghiên cứu và áp dụng các công nghệ mới để nâng cao hiệu quả của các giải pháp chống thấm.

3.1. Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc đảm bảo an toàn và ổn định của các đập đất hồ chứa tại Bình Định. Các giải pháp xử lý thấm được đề xuất không chỉ giúp khắc phục tình trạng thấm nước hiện tại mà còn đảm bảo tính bền vững lâu dài. Điều này góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và sử dụng các công trình thủy lợi tại địa phương.

3.2. Kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu và áp dụng các công nghệ xử lý thấm mới để nâng cao hiệu quả của các giải pháp chống thấm. Đồng thời, cần tăng cường công tác quản lý và giám sát các công trình thủy lợi để phát hiện và xử lý kịp thời các vấn đề liên quan đến thấm nước. Việc này sẽ góp phần đảm bảo an toàn và ổn định của các công trình thủy lợi tại Bình Định.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống hồ đập thủy lợi đóng vai trò then chốt trong việc cắt lũ, trữ nước phục vụ sản xuất nông nghiệp và phát triển kinh tế xã hội trên phạm vi toàn cầu cũng như tại Việt Nam. Trên thế giới hiện có hơn 45.000 hồ đập lớn, trong khi Việt Nam sở hữu khoảng 7.080 hồ chứa các loại với tổng dung tích thiết kế hàng chục tỷ mét khối nước. Tại tỉnh Bình Định, một địa bàn trọng điểm thuộc duyên hải Nam Trung Bộ với diện tích 6.026 km² và dân số khoảng 1,6 triệu người, mạng lưới thủy lợi bao gồm 165 hồ chứa với tổng dung tích trữ nước đạt 583 triệu m³. Trong số này, có tới 133 công trình là hồ đập nhỏ có chiều cao đập dưới 15 mét (chiếm tỷ lệ 80,6%) và 131 hồ được xây dựng trong giai đoạn từ năm 1975 đến năm 1990.

Do hạn chế về năng lực khảo sát, thiết kế và thi công thủ công trong giai đoạn trước năm 1990, hệ thống đập đất tại địa phương đang đối mặt với tình trạng xuống cấp nghiêm trọng. Toàn tỉnh ghi nhận 89 trên 133 hồ chứa nhỏ hư hỏng có nguy cơ mất an toàn, trong đó 18 hồ hư hỏng ở mức báo động. Đặc biệt, hiện tượng thấm qua thân và nền đập chiếm tỷ lệ cao nhất với 91 trên 133 hồ (tương đương 68,4%), đe dọa trực tiếp đến tính mạng và tài sản của cộng đồng dân cư vùng hạ du.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán cấp bách: Xác định nguyên nhân cơ bản dẫn đến hiện tượng thấm nguy hiểm, đánh giá độ ổn định và lựa chọn giải pháp công nghệ xử lý chống thấm tối ưu cho các đập đất vừa và nhỏ tại Bình Định, lấy công trình hồ chứa nước Mỹ Thuận làm đối tượng nghiên cứu ứng dụng điển hình trong giai đoạn 2016-2020. Mục tiêu là đưa hệ số ổn định trượt mái đập đạt tiêu chuẩn thiết kế an toàn tối thiểu với hệ số an toàn lớn hơn hoặc bằng 1,30, triệt tiêu nguy cơ xói ngầm và nâng cao hiệu quả khai thác nguồn nước bền vững trước bối cảnh biến đổi khí hậu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng vững chắc của cơ học đất hiện đại và lý thuyết thủy lực thấm qua môi trường xốp bão hòa và không bão hòa. Hai khung lý thuyết cốt lõi được áp dụng xuyên suốt gồm: Lý thuyết thấm tổng quát (định luật Darcy tuyến tính với vận tốc thấm tỷ lệ bậc nhất với gradient thủy lực, kết hợp các công thức thấm phi tuyến Smoroke, Prony cho vùng vận động phức tạp) và Lý thuyết cân bằng giới hạn trong phân tích độ ổn định mái dốc công trình đất.

Mô hình nghiên cứu mô phỏng trường dòng thấm không áp hai chiều thông qua việc giải hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng Laplace kết hợp điều kiện biên phức tạp. Năm khái niệm và thông số cơ bản đóng vai trò then chốt trong tính toán bao gồm:

• Đường bão hòa thấm: Giới hạn trên của miền thấm trong thân đập đất, nơi áp lực nước lỗ rỗng bằng áp suất khí quyển.
• Gradient thủy lực thấm: Tỷ số giữa tổn thất cột nước và chiều dài đường thấm, quyết định vận tốc dòng chảy ngầm.
• Áp lực nước lỗ rỗng: Đại lượng chi phối trực tiếp đến ứng suất hữu hiệu và sức kháng cắt của khối đất đắp.
• Độ cao thoát nước giới hạn: Vị trí thoát của đường bão hòa tại mái hạ lưu hoặc thiết bị thoát nước nhằm ngăn chặn hiện tượng trôi đất.
• Hệ số an toàn ổn định trượt: Tỷ số giữa mômen giữ và mômen gây trượt của khối cung trượt nguy hiểm nhất.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp đồng bộ giữa điều tra thực địa, thí nghiệm cơ lý vật liệu và mô hình hóa số học. Nguồn dữ liệu sơ cấp được thu thập từ khảo sát hiện trạng toàn diện trên 133 hồ chứa nhỏ tại 11 huyện, thị xã, thành phố của tỉnh Bình Định. Phương pháp chọn mẫu điển hình kết hợp kiểm toán chuyên sâu được áp dụng để chọn hồ chứa nước Mỹ Thuận cùng 3 mặt cắt đại diện (D14, D31, D38) phục vụ tính toán chi tiết. Cỡ mẫu địa chất bao gồm hàng chục vị trí khoan lấy mẫu thí nghiệm xác định các chỉ tiêu dung trọng khô, độ ẩm tối ưu, góc ma sát trong, lực dính kết và hệ số thấm của các lớp đất nền và bãi vật liệu đắp.

Phương pháp phân tích mô hình số phần tử hữu hạn (FEM) thông qua bộ phần mềm chuyên dụng GeoStudio 2004 (phân hệ SEEP/W và SLOPE/W) được lựa chọn thay thế cho các phương pháp giải tích truyền thống. Lý do lựa chọn là khả năng phân chia phần tử linh hoạt (tam giác, tứ giác), cho phép giải quyết chính xác bài toán thấm phẳng phi tuyến trong môi trường địa chất phân lớp phức tạp, xác định chính xác trường áp lực nước lỗ rỗng và kết nối trực tiếp với bài toán ổn định trượt mái theo phương pháp cân bằng giới hạn Bishop, Morgenstern-Price. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu, phân tích mô hình và kiểm chứng kéo dài trong 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình điều tra và phân tích số liệu thực nghiệm đã chỉ ra 4 phát hiện khoa học mang tính quyết định:

• Thứ nhất, dòng thấm là tác nhân phá hủy hàng đầu tại các đập đất tỉnh Bình Định: 91 trên 133 hồ chứa nhỏ (tỷ lệ 68,4%) xuất hiện hiện tượng thấm qua nền và thân đập; 31 hồ (23,3%) bị thấm dọc thân cống lấy nước và 46 hồ (34,6%) có tràn xả lũ bị xói lở nghiêm trọng.
• Thứ hai, sai số kỹ thuật trong khảo sát và thi công là nguyên nhân gốc rễ gây sự cố: Phân tích các thảm họa vỡ đập điển hình tại miền Trung như đập Suối Hành (vỡ năm 1986 làm 4 người thiệt mạng, trôi 20 ngôi nhà), đập Suối Trầu (sự cố 4 lần) và đập Am Chúa cho thấy việc bỏ sót thí nghiệm tính tan rã, lún ướt, trương nở của đất bãi vật liệu và đầm nén không đạt dung trọng thiết kế (nhiều nơi dung trọng khô chỉ đạt 1,4 đến 1,5 T/m³ so với yêu cầu 1,84 T/m³) đã tạo thành các ống xói ngầm làm sập đổ công trình chỉ trong vài giờ tích nước.
• Thứ ba, hiện trạng đập Mỹ Thuận mất an toàn nghiêm trọng: Tại mặt cắt D31, đường bão hòa dâng cao và chọc ra ở lưng chừng mái hạ lưu, áp lực thấm lớn khiến hệ số an toàn ổn định trượt mái hạ lưu giảm sâu xuống dưới ngưỡng cho phép (hệ số an toàn K thấp hơn 1,30).
• Thứ tư, so sánh định lượng giữa 02 phương án chống thấm cho đập Mỹ Thuận: Phương án 1 (Tường nghiêng kết hợp sân phủ bằng đất sét ít thấm có hệ số thấm đạt mức 7,5 nhân 10 mũ trừ 6 cm/s) và Phương án 2 (Tường nghiêng kết hợp màn hào màng mỏng Bentonite). Kết quả tính toán cho thấy Phương án 1 khống chế đường bão hòa nằm hoàn toàn trong thân đập, hạ thấp độ cao thoát nước tại chân đập, nâng hệ số an toàn ổn định trượt mái hạ lưu lên mức 1,35 đến 1,42 (tăng hơn 15% so với hiện trạng), đồng thời tiết kiệm từ 20% đến 30% chi phí xây lắp so với phương án khoan phụt hoặc làm tường hào Bentonite.

Thảo luận kết quả

Cơ chế gây mất ổn định đập được làm rõ: Khi xuất hiện dòng thấm với gradient thủy lực vượt quá giá trị giới hạn, lực ma sát giữa các hạt đất bị triệt tiêu, ứng suất hữu hiệu giảm mạnh trong khi áp lực kẽ rỗng gia tăng, thúc đẩy quá trình xói ngầm cơ học cuốn trôi các hạt mịn về phía hạ lưu.

Dữ liệu tính toán trong nghiên cứu có thể được tổng hợp trực quan qua hệ thống bảng biểu so sánh gradient thấm đơn vị và đồ thị quan hệ giữa Mực nước thượng lưu và Độ cao thoát nước giới hạn. Đồ thị này minh chứng rõ nét quy luật khi mực nước hồ dâng cao từ mực nước dâng bình thường đến mực nước lũ kiểm tra, đường bão hòa dịch chuyển tịnh tiến lên phía trên, đòi hỏi chiều cao và quy mô của lăng trụ tiêu nước hạ lưu phải được thiết kế tương thích để điểm ra của dòng thấm không cắt qua mái dốc.

So sánh với các công trình xử lý thành công tại Bình Định như đập Chánh Hùng (nền thấm dày trên 5,0m áp dụng tường nghiêng sân phủ) hay đập Hóc Thánh, đập Giao Hội (nền thấm dưới 5,0m áp dụng tường nghiêng chân răng), giải pháp đề xuất cho hồ Mỹ Thuận hoàn toàn tương thích về mặt địa chất trầm tích duyên hải, tận dụng được nguồn vật liệu đất sét sẵn có tại chỗ, giúp giảm thiểu đáng kể chi phí vận chuyển và thiết bị thi công chuyên dụng đắt tiền.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả tính toán mô hình số và thực tiễn địa bàn, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý cụ thể:

• Thi công cải tạo hệ thống chống thấm bằng kết cấu tường nghiêng kết hợp sân phủ đất sét có hệ số thấm nhỏ hơn hoặc bằng 1 nhân 10 mũ trừ 6 cm/s cho 100% các đập đất có tầng thấm dày trên 5,0 mét; hoàn thành kế hoạch sửa chữa nâng cấp trong giai đoạn 2016-2020 do Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Bình Định làm chủ đầu tư.
• Kiểm soát nghiêm ngặt quy trình đầm nén đất tại công trường, bắt buộc thí nghiệm đầy đủ 3 chỉ tiêu: Độ tan rã, độ lún ướt và độ trương nở của đất đắp trước khi thi công; đảm bảo dung trọng khô đạt chuẩn từ 1,65 đến 1,75 T/m³ nhằm loại trừ 95% nguy cơ sụt lún không đều và hình thành kẽ nứt trong thân đập.
• Lắp đặt và vận hành hệ thống quan trắc thấm tự động hoặc thủ công định kỳ tại tối thiểu 3 mặt cắt trọng yếu (D14, D31, D38) trên mỗi đập cấp bách; sử dụng biểu đồ độ cao thoát nước giới hạn tương ứng với từng mực nước thượng lưu để cảnh báo sớm nguy cơ mất an toàn trước mùa mưa bão hàng năm do các Ban quản lý hồ chứa thực hiện.
• Chuẩn hóa và số hóa hồ sơ kỹ thuật cho toàn bộ 133 trên 133 hồ chứa nhỏ; bắt buộc 100% các chủ hồ xây dựng phương án phòng chống lụt bão và đăng ký an toàn đập theo Nghị định 72/2007/NĐ-CP trong thời hạn 2 năm, chấm dứt tình trạng chỉ có 11 trên 133 đơn vị có hồ sơ thiết kế hoàn chỉnh như giai đoạn trước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu mang lại giá trị ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm trong ngành xây dựng thủy lợi:

• Kỹ sư thiết kế và chuyên gia tư vấn thủy lợi: Nắm vững phương pháp luận và kỹ năng ứng dụng phần mềm SEEP/W, SLOPE/W để mô hình hóa mạng thấm đa lớp, tối ưu hóa kích thước hình học tường nghiêng, sân phủ và lăng trụ tiêu nước hạ lưu cho các dự án nâng cấp đập đất.
• Cán bộ quản lý vận hành hồ đập tại các địa phương: Tiếp cận công cụ biểu đồ giám sát an toàn thấm, nắm bắt các ngưỡng giới hạn mực nước để chủ động điều tiết dung tích hồ chứa, hạn chế rủi ro khi mực nước hồ rút nhanh đột ngột trong mùa lũ.
• Chỉ huy trưởng và kỹ sư giám sát thi công: Nắm bắt các biện pháp kỹ thuật then chốt trong xử lý mối nối tiếp giáp giữa khối đất đắp với thân cống ngầm bê tông, xử lý vách đá vai đập và kỹ thuật đầm nén đất phân lớp đạt dung trọng yêu cầu.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Công trình Thủy lợi: Khai thác nguồn tài liệu tham khảo học thuật thực chứng với hệ thống số liệu khảo sát thực tế trên 133 hồ chứa, bổ sung kiến thức về cơ chế phá hoại của dòng thấm và giải pháp gia cố công trình tại dải đất miền Trung.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao các hồ chứa xây dựng trước năm 1990 tại Bình Định có tỷ lệ thấm lên tới 68,4%?
  Nguyên nhân chủ yếu do công trình được thi công thủ công trong điều kiện thiếu kinh phí, thiết bị đầm nén thô sơ khiến dung trọng khô chỉ đạt khoảng 1,4 T/m³, đồng thời hồ sơ khảo sát thiếu các thí nghiệm tan rã của đất duyên hải, dẫn đến việc đập đồng chất bị xói ngầm nghiêm trọng sau nhiều năm vận hành.

• Giải pháp tường nghiêng sân phủ đất sét có ưu điểm gì nổi bật so với hào màng mỏng Bentonite?
  Phương án tường nghiêng kết hợp sân phủ đất sét tận dụng trực tiếp bãi vật liệu địa phương, thi công bằng máy xúc và đầm nén phổ thông, giúp tiết kiệm từ 20% đến 30% tổng mức đầu tư xây lắp nhưng vẫn đảm bảo hệ số an toàn ổn định trượt đạt trên 1,35 theo đúng tiêu chuẩn thiết kế.

• Phần mềm SEEP/W hỗ trợ giải quyết bài toán thấm trong luận văn như thế nào?
  Phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng chính xác trường thế năng thủy lực, tính toán lưu lượng thấm đơn vị, vẽ lưới thấm và xác định chính xác tọa độ đường bão hòa cùng gradient thấm tại các vị trí hiểm yếu như mũi chân khay và lăng trụ thoát nước hạ lưu.

• Làm thế nào để ứng dụng biểu đồ độ cao thoát nước giới hạn trong giám sát an toàn hồ Mỹ Thuận?
  Biểu đồ thiết lập mối tương quan giữa Mực nước thượng lưu và Độ cao thoát nước giới hạn tại các mặt cắt D14, D31, D38. Người quản lý chỉ cần đối chiếu mực nước hồ thực tế với vị trí dòng thấm thoát ra tại mái đập; nếu vượt quá ngưỡng cho phép, công trình phải phát lệnh cảnh báo xả lũ khẩn cấp.

• Vì sao việc đắp đất quanh cống lấy nước dưới đập thường xuyên gây ra sự cố vỡ đập?
  Vùng tiếp giáp giữa đất đắp và thành cống bê tông có không gian chật hẹp, đầm máy khó tiếp cận dẫn đến độ chặt kém. Khi hồ tích nước, dòng thấm sẽ men theo mặt tiếp xúc tạo thành luồng xói ngầm dọc thân cống, điển hình như sự cố đập Z20 với cống bê tông cốt thép đường kính 0,8m bị phá hủy hoàn toàn.

Kết luận

Nghiên cứu đã giải quyết toàn diện bài toán xử lý thấm cho hệ thống hồ đập vừa và nhỏ tại tỉnh Bình Định với các đóng góp học thuật và thực tiễn nổi bật:

• Hệ thống hóa hiện trạng an toàn của 165 hồ chứa tại Bình Định, làm rõ tỷ lệ hư hỏng do thấm chiếm tới 68,4% trong tổng số 133 đập đất nhỏ.
• Phân tích nguyên nhân sâu xa từ các sự cố vỡ đập thực tế tại miền Trung, khẳng định vai trò quyết định của việc kiểm soát dung trọng đầm nén và các chỉ tiêu tan rã, lún ướt của đất.
• Thiết lập quy trình ứng dụng mô hình số phần tử hữu hạn GeoStudio trong tính toán trường thấm và ổn định trượt mái đập trong điều kiện địa chất Nam Trung Bộ.
• Đề xuất và luận chứng thành công phương án chống thấm bằng tường nghiêng kết hợp sân phủ đất sét cho hồ chứa nước Mỹ Thuận, đưa hệ số an toàn đạt trên 1,35 và tối ưu 20% đến 30% chi phí.
• Xây dựng bộ tiêu chí giám sát thấm thông qua biểu đồ tương quan mực nước và độ cao thoát nước giới hạn phục vụ quản lý an toàn đập lâu dài.

Trong giai đoạn tiếp theo, các địa phương cần khẩn trương triển khai kiểm toán an toàn thấm cho toàn bộ các hồ chứa còn lại và tích hợp công nghệ quan trắc tự động theo lộ trình 2016-2020. Việc áp dụng các giải pháp kỹ thuật hợp lý không chỉ bảo vệ an toàn tuyệt đối cho công trình thủy lợi mà còn bảo đảm sự phát triển kinh tế xã hội bền vững cho toàn vùng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của Đề tài: Bình Định là một tỉnh ven biển Nam Trung bộ, nằm ở tọa độ từ 13 042' đến 14042' Vĩ độ Bắc và 108039' đến 109022' Kinh độ Đông, có diện tích tự nhiên 6.026 km2, bao gồm thành phố Quy Nhơn và 10 huyện, thị xã với dân số khoảng 1,6 triệu ngƣời. Phía bắc giáp Quảng Ngãi, phía Nam giáp Phú Yên, phía Tây giáp Gia Lai và phía Đông giáp Biển Đông. Bình Định cách thủ đô Hà Nội 1.065 km và cách thành phố Hồ Chí Minh 680 km.

Là một trong 5 tỉnh nằm trong vùng trọng điểm kinh tế Nam Trung Bộ với địa lý quan trọng trong giao lƣu phát triển kinh tế xã hội, vị trí vai trò quan trọng trong bảo vệ an ninh quốc phòng. Bình Định có vị trí trung tâm trên các tuyến giao lƣu quốc tế và liên vùng tuyến trục Bắc - Nam và hành lang Đông - Tây của Miền Trung với hệ thống giao thông tƣơng đối phát triển với tuyến đƣờng sắt Bắc Nam, tuyến đƣờng bộ QL 1A và QL 19, sân bay Phù Cát và cảng Quy Nhơn. - Trên địa bàn tỉnh Bình Định có 165 đập hồ chứa nƣớc thủy lợi. Trong đó: + Có 05 hồ chứa có dung tích trên 10 triệu m3 gồm: hồ Vạn Hội – huyện Hoài Ân, hồ Hội Sơn - huyện Phù Cát, hồ Thuận Ninh – huyện Tây Sơn, hồ Núi Một - huyện An Nhơn và hồ Định Bình - huyện Vĩnh Thạnh.

+ Có 04 hồ chứa có dung tích từ (5 – 10) triệu m3 gồm: Hồ Thạch Khê - huyện Hoài Ân, hồ Mỹ Bình – huyện Hoài Nhơn, hồ Hội Khánh – huyện Phù Mỹ và hồ Diêm Tiêu – huyện Phù Mỹ. + Có 47 hồ chứa có dung tích từ (1 – 5) triệu m3, gồm: huyện An Lão 02 hồ; huyện Hoài Ân 08 hồ; huyện Hoài Nhơn 08 hồ; huyện Phù Mỹ 11 hồ; huyện Vĩnh Thạnh 03 hồ; huyện Phù Cát 07 hồ; huyện Tây Sơn 02 hồ; huyện An Nhơn 01 hồ; huyện Vân Canh 04 hồ; Thành phố Quy Nhơn 01 hồ. 1 + Có 68 hồ chứa có dung tích từ (0,2 – 1) triệu m3, gồm: huyện An Lão 02 hồ; huyện Hoài Ân 13 hồ; ; huyện Hoài Nhơn 09 hồ; huyện Phù Mỹ 32 hồ; huyện Phù Cát 14 hồ; huyện Tây Sơn 12 hồ; huyện Vân Canh 01 hồ; huyện Tuy Phƣớc 04 hồ. + Còn lại 38 hồ chứa có dung tích nhỏ hơn 0,2 triệu m3.

+ Có 38 hồ chứa có chiều cao đập trên 15m. Các hồ đập nhỏ trên địa bàn tỉnh phần lớn đƣợc xây dựng từ những năm 80, có hệ số thiết kế tƣới, tiêu thấp và tần suất tính phòng lũ chƣa xét đến yếu tố ảnh hƣởng bởi biến đổi khí hậu; thiếu kinh phí nên xây dựng không hoàn chỉnh từ đầu mối đến kênh mƣơng, thiết bị lạc hậu, chắp vá nên hiện nay bị xuống cấp nghiêm trọng, mặt đập, mái thƣợng và hạ lƣu chƣa đƣợc gia cố, thân móng đập bị thấm nƣớc, cống lấy nƣớc bị rò rỉ, tràn xả lũ bị xói lở do chƣa đƣợc gia cố, lòng hồ bị bồi lấp nên khả năng trữ nƣớc và khả năng đảm bảo an toàn hồ đập thấp. Toàn tỉnh có 38 đập có hiện tƣợng thấm nƣớc; đập trƣợt mái, sạt trƣợt vai đập; bị lún; bị xói lở hạ lƣu… dự kiến đƣa vào chƣơng trình Sửa chữa An toàn đập của Chính phủ do WB tài trợ, trong đó có Hồ chứa nƣớc Mỹ Thuận. Nghiên cứu biện pháp xử lý hợp lý thấm qua nền và thân đập hồ chứa nƣớc Mỹ Thuận là một trong những yêu cầu quan trọng trong thiết kế, thi công công trình và yêu cầu thực tế của địa phƣơng hiện nay.

Việc hiểu biết đầy đủ về những đặc tính, điều kiện ứng dụng, biện pháp chống thấm khi thiết kế, thi công sẽ góp phần đảm bảo sự làm việc ổn định của các công trình xây dựng đặc biệt các công trình hồ chứa. Đề tài “Nghiên cứu giải pháp hợp lý xử lý thấm qua nền và thân đập đất của hồ chứa vừa và nhỏ ở tỉnh Bình Định, ứng dụng cho công trình hồ chứa nước Mỹ Thuận” tập trung phân tích các đặc tính của đất, các yếu tố gây thấm, những biến dạng của công trình, các nguy cơ hiện hữu… ; Nghiên cứu và đề xuất giải pháp xử lý, thi công để đảm bảo ổn định cho công trình. Đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong điều kiện hiện nay khi hệ thống Đập đất của tỉnh Bình Định có chủ trƣơng mở rộng, nâng cấp để ứng phó với biến đổi khí hậu. Trong đó phải kể tới tác động rõ rệt nhất là lƣợng mƣa có cƣờng độ mƣa tăng dần và mƣa tập trung, gây nên các trận lũ 2 lớn, bất thƣờng, vƣợt tần suất thiết kế … điều này mang lại nhiều tác động bất lợi đối với sự an toàn của các hồ chứa trên địa bàn tỉnh.

Mục đích của Đề tài: Nghiên cứu các yếu tố tác động đến sự hình thành dòng thấm, chế độ thấm nhƣ quá trình khảo sát, thiết kế, thi công để xác định nguyên nhân chính dẫn đến sự cố thấm qua đập. Cơ sở khoa học và thực tiễn của các giải pháp xử lý thấm qua nền đập đất, ƣu nhƣợc điểm và phạm vi ứng dụng từng giải pháp; Tính toán biện pháp xử lý đảm bảo ổn định thấm cho đập đất ở hồ chứa vừa và nhỏ bằng phần mềm Seep/w. Lựa chọn đƣợc giải pháp hợp lý cho việc xử lý thấm qua nền và thân đập đất của Hồ chứa nƣớc Mỹ Thuận, tỉnh Bình Định. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu: a) Cách tiếp cận: - Thông qua việc nghiên cứu các sự cố về đập, các tài liệu của một số cơ quan Nghiên cứu, Khảo sát Thiết kế, Thi công và Quản lý xây dựng loại đập đắp bằng vật liệu địa phƣơng khu vực Miền Trung.

- Khảo sát, nghiên cứu thực địa tại hồ chứa nƣớc Mỹ Thuận, tỉnh Bình Định. b) Phƣơng pháp nghiên cứu: - Tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã có qua việc điều tra thu thập các đập vật liệu địa phƣơng đã xây dựng xảy sự cố và xử lý thấm thành công trong khu vực nghiên cứu. - Dùng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để phân tích kiểm tra thấm : Sử dụng phần mềm Seep/w. - Tính toán cụ thể thông qua việc so sánh kết quả tìm đƣợc của phƣơng pháp chọn.

Kết quả đạt đƣợc: - Tìm ra đƣợc các nguyên nhân hƣ hỏng gây mất an toàn cho các công trình hồ chứa vừa và nhỏ ở tỉnh Bình Định qua việc so sánh, đánh giá, phân tích đƣợc mức độ an toàn của các công trình đã đƣợc xây dựng; - Lƣ̣a cho ̣n hình thức kết cấu, giải pháp thiết kế và công nghệ thi công xử lý phù hợp với điều kiện công trình tại Bình Định; - Đề xuất cơ sở khoa học hoặc công nghệ xử lý mất nƣớc qua nền và thân đập phù hợp với địa chất chung của Bình Định; - Vận dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế, thi công sữa chữa hồ chứa nƣớc Mỹ Thuận, tỉnh Bình Định. ---------oo0oo--------- 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP ĐẤT VÀ THẤM QUA NỀN, THÂN ĐẬP ĐẤT 1.1 Khái quát chung về tình hình xây dựng đập vâ ̣t liêụ điạ phƣơng Đập vật liệu địa phƣơng là loại đập đƣợc xây dựng bằng các loại đất đá hiện có ở vùng xây dựng nhƣ: sét, á sét, á cát, cát, sỏi… Đập đất - đá có cấu tạo đơn giản, vững chắc, có khả năng cơ giới hoá cao khi thi công và thƣờng có giá thành thấp nên là loại đập đƣợc ứng dụng rộng rãi nhất trong hầu hết các nƣớc trên thế giới. Đập đất - đá là loại đập không tràn, có nhiệm vụ dâng nƣớc và giữ nƣớc trong các hồ chứa hoặc cùng với các loại đập và công trình khác tham gia nhiệm vụ dâng nƣớc trong các hệ thống thuỷ lợi, thuỷ điện…[1].1 Trên thế giới Hồ chứa nƣớc trên thế giới đƣợc xây dựng và phát triển rất đa dạng, phong phú. Đến nay trên thế giới đã xây dựng hơn 1.400 hồ có dung tích hơn 100 triệu mét khối nƣớc mỗi hồ với tổng dung tích các hồ là 4.200 tỷ mét khối.

Theo tiêu chí phân loại của Ủy ban Quốc tế về đập lớn (ICOLD), hồ có dung tích từ một triệu mét khối nƣớc trở lên hoặc chiều cao đập trên 15 mét, thuộc loại hồ đập lớn. Hình 1-1 Biểu đồ phân bố hồ đập lớn trên thế giới 5 Hiện thế giới có hơn 45.000 hồ đập lớn.340 hồ, Bắc và Trung Mỹ có 8.010 hồ, Tây Âu có 4.227 hồ, Đông Âu có 1.203 hồ, châu Phi 1.260 hồ, châu Đại Dƣơng 577 hồ. Đứng đầu danh sách các nƣớc có nhiều hồ là Trung Quốc (22.291 hồ), Nhật Bản (2.675 hồ), Tây Ban Nha (1. Xây dựng và sử dụng hồ chứa nƣớc trên thế giới đã trải qua lịch sử phát triển lâu đời.

Cách đây hơn 6 nghìn năm ngƣời Trung Quốc và Ai Cập đã biết sử dụng vật liệu tại chỗ để đắp đập ngăn sông suối tạo thành hồ chứa. Thời kỳ cổ đại, hồ Vicinity tại Menphis thuộc thung lũng sông Nin (Ai Cập) có xây đập đá đổ cao 15 m, dài 45 m. Trong khoảng 4 nghìn năm Trƣớc Công nguyên, cùng với sự phát triển rực rỡ của các nền văn minh cổ đại Ai Cập, Trung Quốc, Hy Lạp, La Mã, Ấn Độ. kỹ thuật xây dựng hồ đập trên thế giới cũng không ngừng phát triển.

Ngƣời Nam Tƣ xây dựng đập Mardook ở thung lũng sông Tigris. Ngƣời Saba xây đập đá đổ Marib cao 32,5 m dài 3200 m. Đến nay, thực tế phát triển xây dựng các hồ chứa nƣớc lớn trên thế giới đã đƣợc khẳng định mục đích và yêu cầu sử dụng của mỗi hồ trong từng khu vực đối với từng quốc gia là khác nhau.1 Đập Nurek ở Tajikistan cao 310m, hiện là đập đất cao nhất thế giới (nguồn Internet) 6 Trong thế kỷ XX, xây dựng đập tạo hồ chứa phát triển mạnh cả về số lƣợng và quy mô, hình thức. Cứ 10 năm sau, số lƣợng đập hồ đƣợc xây dựng nhiều hơn tổng số các đập hồ của các năm trƣớc đó.

Chiều cao đập từ chỗ vài mét của buổi ban đầu, đến chiều cao đập lên tới 10 m  15 m (ở thế kỷ XV), đến 200 m (ở thế kỷ XX), rồi đến trên 300 m nhƣ hiện nay. Từ chỗ đập bằng vật liệu địa phƣơng đến đập bằng bê tông, bê tông trọng lực, đập vòm, đập trụ chống, đập liên vòm. Từ đập bê tông thƣờng đến đập bê tông đầm lăn. Bảng 1-1 Số lượng đập vật liệu địa phương ở các nước trên thế giới (nguồn internet) STT Tên nƣớc Số lƣợng STT Tên nƣớc Số lƣợng 1 Trung Quốc 22.575 18 CHLB Đức 3113 3 Ấn Độ 1.