CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI ĐẬP ĐÂT 1.1 Khái niệm về đập đất Trên thế giới, từ mấy nghìn năm trước công nguyên, đập đất đã được xây dựng nhiều ở Ai Cập, Ấn Độ, Trung Quốc và các nước Trung Á của Liên Xô với mục đích dâng và giữ nước để tưới hoặc phòng lũ. Sau đó, đập đất lại ngày càng đóng vai trò quan trọng hơn trong các hệ thống thủy lợi nhằm lợi dụng tổng hợp tài nguyên dòng nước.[4] Ngày nay, cùng với sự phát triển của nhiều ngành khoa học như cơ học đất, lý luận thấm, địa chất thủy văn, địa chất công trình… cũng như việc ứng dụng cơ giới hóa, thủy cơ giới hóa trong thi công nên việc xây dựng đập đất càng có xu thế phát triển mạnh. Hiện nay, trên thế giới đã xây dựng được hàng ngàn đập đất, ở Việt Nam nói riêng cũng đã xây dựng hàng trăm đập đất. Đập vật liệu địa phương (đập đất) là một loại đập được xây dựng bằng các loại đất hiện có trong vùng xây dựng như: sét, á sét, á cát, sỏi cuội.
Đập đất có cấu tạo đơn giản, vững chắc, có khả năng cơ giới hoá cao khi thi công, và trong đa số các trường hợp có giá thành hạ nên là loại đập được ứng dụng rộng rãi nhất ở hầu hết các nước trên thế giới. Đặc biệt là đối với nước ta, trong điều kiện kinh tế còn khó khăn thì giá thành xây dựng công trình là một điều kiện quan trọng khi lựa chọn phương án xây dựng công trình.2 Các loại đập đất đã xây dựng Ở Việt Nam hiện nay, các loại đập đất được xây dựng cũng tương đối phong phú và đa dạng, tùy thuộc đặc điểm địa hình, địa chất, thủy văn của địa phương. Có thể kể ra đây một số loại đập đất [1],[4]: a. Đập kết cấu đồng chất Ngô Lan Hương Luận văn thạc sĩ ngành Xây dựng công trình thủy -6- Kết cấu đập đồng chất là loại đập được xây dựng khá phổ biến ở nhiều địa phương.
Đập được đắp bằng loại vật liệu địa phương sẵn có có hệ số thấm lớn, để đảm bảo ổn định thấm thường dùng biện pháp tăng kích thước mặt cắt đập và khối lượng đắp đập. MNDBT Hình 1-1: Đập đất đồng chất Ưu điểm của kết cấu đập đồng chất: + Kết cấu đập đơn giản + Sử dụng vật liệu tại chỗ + Thi công dễ dàng, nhanh chóng + Giá thành xây dựng thấp Nhược điểm: + Kích thước mặt cắt đập thường lớn, khối lượng đất đắp nhiều b. Kết cấu đập không đồng chất Trong thực tế, đất đắp đập không đồng nhất một loại do phải lấy đất đắp ở nhiều bãi vật liệu, tính chất cơ lý của đất ở các bãi vật liệu này khác nhau. Trong trường hợp đó phải nghiên cứu kết cấu đập để sử dụng hợp lý các loại đất nhằm khắc phục các mặt bất lợi và phát huy các mặt lợi của chúng để phòng tránh sự cố đập do đất gây ra.
Mặt khác cũng để tận dụng tối đa các vật liệu sẵn có tại chỗ nhằm giảm chi phí đầu tư. Ngô Lan Hương Luận văn thạc sĩ ngành Xây dựng công trình thủy -7- MNDBT MNC A B C MNDBT III MNC II I Hình 1-2: Đập không đồng chất Trong đó: (A): Khối lăng trụ thượng lưu (B): Khối trung tâm (C): Khối lăng trụ hạ lưu (I): Vùng thường xuyên bão hòa (II): Vùng bị bão hòa từng thời kỳ (III): Vùng khô ướt thay đổi trong năm Ưu điểm của kết cấu đập không đồng chất: + Tận dụng được các loại vật liệu tại chỗ của địa phương + Kết cấu ổn định, khả năng chống thấm tốt Nhược điểm: + Kết cấu phức tạp + Thi công khó khăn c. Kết cấu đập có tường lõi mềm Trong trường hợp khối đất trung tâm vùng B bằng sét hoặc đất sét pha cát, hệ số thấm nhỏ, khả năng chống thấm trở thành tường lõi mềm. Yêu cầu Ngô Lan Hương Luận văn thạc sĩ ngành Xây dựng công trình thủy -8- chủ yếu với đất sét làm vật liệu chống thám là ít thấm nước và có tính dẻo, phải đảm bảo hẹ số thấm nhỏ hơn hệ số thấm của đất thân đập (50-100) lần.
Đồng thời đất làm tường lõi chống thấm phải đủ dẻo, dễ thích ứng với biến hình của thân đập mà không gây nứt nẻ. Cấu tạo của bề dày tường lõi đắp bằng đất sét không nhỏ quá 0,8m, độ dày chân tường lõi không nhỏ hơn 1/10 cột nước. MNDBT 0,3-0,6m (a) 0,5-1,25m MNDBT 0,3-0,6m (b) 0,5-1,25m Hình 1-3: Đập có tường lõi mềm Ưu điểm: + Khả năng chống thấm tốt Lún dễ đều Nhược điểm: + Khan hiếm nguồn vật liệu đất sét chống thấm tại chỗ. + Kỹ thuật thi công phức tạp.
Ngoài ra cũng còn nhiều dạng kết cấu đập đất khác như kết cấu đập tường nghiêng mềm, kết cấu đập đất có tường nghiêng và sân phủ phía trước mềm, kết cấu đập đất có tường nghiêng và chân khay mềm, kết cấu đập đất có Ngô Lan Hương Luận văn thạc sĩ ngành Xây dựng công trình thủy -9- màng chồng thấm khoan phụt vữa ximăng-bentonite… Tuy nhiên, trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này chỉ xét tới trường hợp đập đất có kết cấu đồng chất. Đập có tường nghiêng mềm Tường nghiêng đắp bằng đất sét, đất thịt ít thấm nước được đặt ở sát mái thuợng lưu đập có tác dụng chống thấm cho thân đập. Bề dày tường nghiêng phụ thuộc vào các yêu cầu cấu tạo và gradien thủy lực cho phép của đất đắp tường. Bề dày tường tăng từ trên xuống dưới.
Bề dày đỉnh tường không nên nhỏ hơn 0,8m. Chân tường không nhỏ hơn H/10 (H - cột nước tác dụng), và không nên nhỏ hơn 2 ÷ 3m. Độ vượt cao của đỉnh tường nghiêng trên mực nước dâng bình thường ở thượng lưu được dựa theo cấp công trình δ = 0,5÷0,8m. Đỉnh tường không được thấp hơn mực nước tĩnh gia cường.
Trên mặt tường nghiêng có phủ một lớp bảo vệ đủ dày (khoảng 1m) để tránh mưa nắng. Giữa tường nghiêng và lớp bảo vệ bố trí một tầng lọc ngược. Sự liên kết giữa tường nghiêng và nền phải tốt. Nếu nền đập là đá thì liên kết tường nghiêng với nền bằng các răng chống thấm.
Khi nền bị nứt nẻ và thấm nước nhiều sẽ xử lý bằng phụt vữa chống thấm. Hình 1-4: Đập đất có tường nghiêng mềm Ưu điểm: - Hạ thấp đường bão hoà rất nhanh làm cho đất trong thân đập được khô ráo và tăng thêm tính ổn định của mái hạ lưu. - Thi công sửa chữa dễ dàng. Nhược điểm: - Lớp bảo vệ và tường nghiêng dễ bị mất ổn định trượt.
Ngô Lan Hương Luận văn thạc sĩ ngành Xây dựng công trình thủy -10- 1.3 Các sự cố nghiêm trọng của đập đất Hồ chứa đem lại cho chúng ta rất nhiều lợi ích to lớn, nó không chỉ đơn thuần là một công trình thủy lợi điều tiết dòng chảy, phát điện mà bên cạnh đó nó còn đóng vai trò quan trọng trong việc thoát lũ, cấp nước phục vụ nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản, cải tạo điều kiện khí hậu…. Tuy nhiên nếu để xảy ra sự cố vỡ đập thì ngược lại nó sẽ gây nguy hiểm và thiệt hại không nhỏ cho khu vực hạ lưu. Chỉ tính trong 30 năm đầu thế kỷ 20, trên thế giới đã có 159 đập đất, 12 đập đá đổ, 67 đập đá xây và bê tông trọng lực, 7 đập vòm, 293 loại đập khác có chiều dài từ 15-150m xảy ra sự cố nghiêm trọng. Chính vì lý do như vậy, việc nghiên cứu tính toán thiết kế để đảm bảo an toàn đập là hết sức quan trọng và cần thiết.4 Nguyên nhân gây thấm Nguyên nhân gây thấm trong đất bão hòa nước là do thế chuyển động của dòng thấm hay chính là gradient cột nước thủy lực.
Nguyên nhân gây thấm trong đất không bão hòa ngoài tác nhân chính là gradient cột nước thủy lực (bao gồm gradient áp lực và gradient cao trình ) còn do grad ient độ ẩm , gradient hút dính [6] độ hút dính là U a - U w trong đó U a chính là áp lực khí lỗ R R R R R R rỗng, U w chính là áp lực nước lỗ rỗng. R R Thế chuyển động của dòng nước thấm. Tổng năng lượng tại điểm A có thể biểu thị theo năn g lượng trên trọng lượng đơn vị được gọi là vị thế hay cột nước thủy lực: (1-1) Trong đó h w – cột nước thủy lực hay cột nước tổng R R y – cột nước trọng lực Ngô Lan Hương Luận văn thạc sĩ ngành Xây dựng công trình thủy -11- – cột nước áp lực - cột nước tốc độ trong đất không đáng kể, do đó công thức trên có thể viết lại thành (1-2) Nước sẽ thấm từ nơi có tổng cột nước cao đến nơi có tổng cột nước thấp hơn, bất kể áp lực nước lỗ rỗng là âm hay là dương.5 Ảnh hưởng của đường thấm đến đập đất Đập vật liệu địa phương là một loại công trình dâng nước làm bằng vật liệu xốp (đất), chính vì vậy cho dù có đầm chặt đến đâu cũng không thể đảm bảo tuyệt đối không thấm nước. Khi hồ chứa đưa vào vận hành thì thân đập cũng bắt đầu chịu áp lực của nước và phát sinh hiện tượng thấm, đập chịu tác dụng của cột nước và hình thành dòng thấm đi xuyên qua đập và nền.
Dòng thấm đi qua thân đập, nền và thấm vòng quanh bờ làm mất nước ở hồ chứa và ảnh hưởng lớn đến ổn định của đập (xói ngầm và trượt mái dốc). Thân đập càng cao thì nước thấm càng nhiều. Chính vì vậy việc nghiên cứu vấn đề thấm và ổn định đối với đập vật liệu địa phương luôn là bài toán đặc biệt quan trọng luôn phải đặt lên hàng đầu trong quá trình nghiên cứu thiết kế đập nhằm đảm bảo đập hoạt động an toàn.6 Một số sự cố do dòng thấm gây ra Như chúng ta đã biết, mặt cắt đập đất có dạng hình thang với mái dốc lớn để đảm bảo ổn định trượt nên mặt cắt đập khá rộng, trị số gradien trong thân đập không lớn lắm và thường không dẫn đến những nguy hiểm đáng kể. Vì vậy vấn đề nguy hiểm đối với đập đất về mặt xói ngầm do dòng thấm gây ra không phải là sự xói ngầm bình thường như chúng ta thường hiểu mà là sự phá hoại do xuất hiện những hang thấm tập trung.
Những hang này đầu tiên Ngô Lan Hương Luận văn thạc sĩ ngành Xây dựng công trình thủy -12- không phải do dòng thấm gây nên mà do nhiều nguyên nhân khác nhau trong thi công, tạo ra những khe hở ở các lớp tiếp giáp của đất đắp hay tiếp giáp với công trình bê tông, các khe nứt do lún không đều v.