Chương 1: Tổng quan về đập sử dụng vật liệu tại chỗ và đập đất ở Tây Nguyên 3 Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học cải thiện vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp, xây dựng đập đất vùng Tây Nguyên Chương 3: Nghiên cứu cải thiện một số chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bồi tích trẻ để nâng cấp đập đất ở Tây Nguyên Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cấp một số đập đất ở Tây Nguyên 4 TỔNG QUAN VỀ ĐẬP SỬ DỤNG VẬT LIỆU TẠI CHỖ VÀ ĐẬP ĐẤT Ở TÂY NGUYÊN 1.1 Đập đất và những yêu cầu khi thiết kế, thi công 1.1 Tổng quan về đập đất Đập đất được xây dựng ở bằng các loại đất hiện có ở gần vùng xây dựng công trình, là loại đập không cho phép nước tràn qua, có nhiệm vụ dâng nước và giữ nước trong các hồ chứa. Từ xa xưa đập đất đã được xây dựng, để trữ nước phục vụ cho dân sinh, trồng trọt. Ở Ai Cập đập đất được xây dựng từ 4400 năm trước công nguyên, ở Trung Quốc 2280 năm trước công nguyên [3]. Khi đó đập được xây dựng bằng các biện pháp thủ công, sử dụng đất dính với khối lượng vật liệu lớn và thời gian thi công dài (1015 năm), chiều cao đập không quá 15m [4].
Đập sử dụng đá để đắp gọi là đập đá đổ được xây dựng muộn hơn vào giữa cuối thế kỷ XIX. Đến nửa cuối thế kỷ XIX ở nhiều nước phát triển như Anh, Pháp, Mỹ đã bắt đầu xây dựng các công trình thủy lợi lớn và có nhiều phương pháp tính toán khác nhau về ổn định, thấm,. để áp dụng cho việc xây dựng đập. Mỹ là nước đầu tiên sử dụng phương pháp thi công cơ giới thủy lực để xây dựng đập đất.
Đập đất được xây dựng nhiều nhất vào những năm 19201930, nhờ sự phát triển của nhiều ngành khoa học như cơ học đất, lý thuyết thấm, địa chất thủy văn, địa chất công trình và việc ứng dụng các phương tiện thi công cơ giới hóa, nên đã bắt đầu xây dựng được các đập khá cao và khối lượng lớn, sử dụng nhiều loại vật liệu như sỏi, cát, đá dăm. Ngày nay, có rất nhiều đập cao là đập đất, đất đá hỗn hợp như: Đập Anderson Ranch (Mỹ) xây năm 1950 cao 139m, Đập Orovin (Mỹ) cao 221m; Đập Xerơ Pongxong (Pháp) xây năm 1961 cao 122m; Đập Bariri (Brazin) xây năm 1967 cao 112m. Hội đập lớn Nhật Bản (JCOLD) thống kê từ năm 400 đến 2009, đập có chiều cao từ 1530m có khoảng 2300 đập; đập cao trên 30m từ năm 700 đến 2009 có khoảng 1120 5 đập chủ yếu là đập đất hoặc đập đất đá hỗn hợp. Do Nhật Bản là quốc gia có động đất thường xuyên diễn ra, đập đất đá chịu động đất tốt, nên loại đập này được ứng dụng phổ biến.
Theo Hội đập lớn thế giới (ICOLD) một tổ chức phi chính phủ, là cơ quan đại diện cho hơn 80 nước xây dựng đập. ICOLD có nhiệm vụ trao đổi ý kiến và kinh nghiệm giữa các nước trong việc thiết kế, xây dựng và vận hành, bao gồm cả điều kiện môi trường. Hội đập lớn của nhiều nước đã công bố trên các website của mình danh mục đập và hồ chứa. Theo thống kê của ICOLD trên Thế giới có 58.519 đập, trong đó đập vật liệu tại chỗ chiếm 76%, trong đó 63% là đập đất [5].
Số lượng đập vật liệu tại chỗ ở các nước trên Thế giới được thống kê trên Bảng 1. 1 theo [5], trong đó Trung Quốc là quốc gia có số lượng đập nhiều nhất trên Thế giới. 1 Số lượng đập vật liệu tại chỗ ở các nước trên thế giới (H≥15m) TT Tên nước Số lượng TT Tên nước Số lượng 1 Trung Quốc 22000 17 Na Uy 335 2 Mỹ 6575 18 CHLB Đức 311 3 Ấn Độ 4291 19 Al-ba-ni 306 4 Nhật 2675 20 Ru-ma-ni 246 5 Tây Ban Nha 1196 21 Zim-ba-buê 213 6 Canada 793 22 Thái Lan 204 7 Hàn Quốc 765 23 Thụy Điển 190 8 Thổ Nhĩ Kỳ 625 24 Bulgari 180 9 Brazin 594 25 Thụy Sĩ 156 10 Pháp 569 26 Áo 149 11 Nam Phi 539 27 Cộng hòa Séc 118 12 Mexico 537 28 Algerie 107 13 Italia 524 29 Bồ Đào Nha 103 14 Vương Quốc Anh 517 30 Indonesia 96 15 Oxtrayliahư 486 31 Nga 91 16 Việt Nam 460 Ở Việt Nam, đập đất là loại công trình dâng nước và được dùng phổ biến nhất khi xây dựng hồ chứa nước. Những hồ chứa đã xây dựng ở nước ta chủ yếu sử dụng bằng đập vật liệu tại chỗ (VLTC), trong đó đập đất chiếm đại đa số [6].
Trước năm 1945, việc xây dựng hồ chứa diễn ra chậm, khi đó nước ta mới chỉ xây dựng được 12 hệ thống thủy lợi như: Đô Lương, Bái Thượng, Thác Huống, Liễn Sơn, Liên Mạc,… Nhưng từ sau năm 6 1945, đặc biệt từ khi đất nước thống nhất thì việc xây dựng hồ chứa phát triển mạnh về số lượng và quy mô công trình, từ năm 1976 đến nay số hồ chứa xây dựng mới chiếm 67% [7]. Hiện nay, có nhiều hồ lớn, đập cao được xây dựng ở những nơi có điều kiện tự nhiên phức tạp. Theo thống kê của Tổng cục thủy lợi, cả nước hiện có 6886 hồ chứa, trong đó có 6.648 hồ chứa thủy lợi chiếm 96.5% và 238 hồ chứa thủy điện chiếm 3.5% với tổng dung tích khoảng 63 tỷ m3 nước, được thể hiện trong Bảng 1. Các hồ chứa vừa và nhỏ chiếm tỷ lệ lớn, các hồ này nằm rải rác khắp nơi tạo nên thế mạnh nhất định, như vốn đầu tư ít, thời gian thi công nhanh, sớm đi vào hoạt động, phục vụ đắc lực cho phát triển nông nghiệp nông thôn và phù hợp với nền sản xuất nông nghiệp chiếm tỷ trọng lớn ở nước ta.
Các hồ chứa lớn tuy ít về số lượng, nhưng lại có vai trò quyết định đến sự phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa, phát điện,…Tổng số hồ chứa nước, các tỉnh từ Nghệ An trở ra đến các tỉnh miền núi phía Bắc là 4224 hồ chiếm 64% số hồ cả nước. Các tỉnh có nhiều hồ chứa là: Nghệ An 629 hồ, Thanh Hóa 610 hồ, Hòa Bình 513 hồ, Bắc Giang 422 hồ, Tuyên Quang 346 hồ. Chủ yếu đập ở các hồ này là đập đất hoặc đập đất đá hỗn hợp. 2 Số lượng và phân loại hồ chứa thủy lợi theo dung tích, không kể hồ thủy điện Dung tích hồ (triệu m3) 10 3-10 1-3 0,2-1 ≤ 0,2 Tổng Số lượng hồ 124 578 363 2335 3248 6648 Hình 1.
1 Đập đất Tả Trạch - Thừa Thiên Huế 7 Đập vật liệu tại chỗ (VLTC) là loại đập sử dụng những nguồn vật liệu có sẵn gần khu vực xây dựng công trình như đập đất, đập đá đổ, đập bằng vật liệu bồi lắng và đập đất đá hỗn hợp. Với mỗi loại đập có cách phân loại khác nhau, việc phân loại đập là cơ sở để để xem xét những điểm khác nhau chủ yếu trong thiết kế, thi công và quản lý [9]. Phân loại đập và hồ chứa được tuân thủ theo [10]. Đập VLTC được sử dụng rộng rãi vì có những lợi thế sau: - Yêu cầu chất lượng của nền đối với đập không cao so với các loại đập khác, do vậy đập có thể xây dựng trên hầu hết các loại địa chất nền và điều kiện khí hậu, kể cả những vùng có động đất; - Với những kết quả nghiên cứu trong các lĩnh vực Cơ học đất; Vật liệu xây dựng; Kỹ thuật chống thấm;…vì vậy có thể sử dụng được tất cả các loại đất để đắp đập; - Khi thi công có khả năng cơ giới hóa cao, rút ngắn thời gian thi công, hạ giá thành công trình; - Tổ chức công trường xây dựng và giám sát kỹ thuật không phức tạp; - Đập có cấu tạo đơn giản, dễ quản lý, dễ tôn cao, đắp dày khi sửa chữa, nâng cấp.
Đập VLTC là công trình chắn nước, trong quá trình làm việc thường có những đặc tính sau: Chịu tác động trực tiếp của sóng, gió, dòng nước và các ngoại lực phức tạp nên yêu cầu đảm bảo về chịu lực như ổn định về thân, nền đập, ổn định chống trượt của mái thượng, hạ lưu đập trong mọi điều kiện làm việc của đập và đảm bảo yêu cầu chống thấm theo tiêu chuẩn thiết kế của nền đập, thân đập, thấm vòng quanh bờ,… Bên cạnh những ưu điểm, đập VLTC còn tồn tại những nhược điểm như: - Do đập thường là khối lớn nên diện tích chiếm đất vĩnh viễn và chiếm đất tạm thời lớn, ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và môi trường xã hội; - Đập không cho nước tràn qua nên phải xây dựng những công trình xả nước riêng, trong trường hợp nền đá tốt có thể không kinh tế; 8 - Dưới áp lực của nước và trọng lượng bản thân đập có thể gây ra hiện tượng lún, nứt hoặc phá hoại các thiết bị chống thấm, có thể gây ra sự cố đập. Với những tồn tại nêu trên, nên đập VLTC sau một thời gian dài sử dụng có rất nhiều đập xuống cấp, cần phải nâng cấp và sửa chữa đập đất để đảm bảo khả năng trữ nước và đảm bảo an toàn đập.2 Tổng quan về những yêu cầu kỹ thuật khi thiết kế và thi công đập đất đầm nén 1.1 Yêu cầu về thiết kế Khi thiết kế đập đất phải đảm bảo các yêu cầu theo [11], cụ thể: Đập và nền đập phải ổn định trong thời gian thi công và khai thác; Thấm qua nền và thân đập không gây mất nước quá lớn từ hồ chứa, không gây xói ngầm; Không cho phép nước tràn qua; Có các thiết bị bảo vệ đập khỏi bị tác hại của sóng, gió, mưa, nắng .; Lựa chọn loại đập đất, cấu tạo các bộ phận, thời gian và phương pháp thi công hợp lý, sử dụng và quản lý thuận lợi, giá thành rẻ.2 Yêu cầu về kỹ thuật thi công - Khi đắp đập phải đắp đất đều trên phạm vi đập từ thấp đến cao. Trong trường hợp cần thiết, được sự đồng ý của thiết kế cho phép đắp dật cấp phải chú ý xử lý tốt chỗ tiếp giáp; - Khi sử dụng nhiều loại đất khác nhau để đắp đập, cần phải tuân thủ theo thiết kế về vị trí đắp của từng loại đất trong thân đập, với vật liệu ít thấm nước phải được đắp ở vị trí trung tâm khối đập, còn với vật liệu thấm nước lớn hơn được đắp ở vị trí ở hạ lưu đập; - Mỗi lớp đắp phải đạt dung trọng khô thiết kế và hệ số đầm chặt K. Để đầm nén đạt dung trọng khô thiết kế, cần phải thực hiện đúng các quy định về: độ ẩm của đất; chiều dày lớp đất rải; số lần đầm.