Nghiên cứu hiệu quả hệ thống nêm cát thu lọc nước thấm trong nâng cấp đập đất vừa và nhỏ

• Tác giả: Phạm Đình Văn
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Quốc Dũng
• Trường học: Viện Khoa Học Thủy Lợi Việt Nam
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Thủy
• Đề tài: Nghiên Cứu Hiệu Quả Hệ Thống Nêm Cát Trong Thu Lọc Nước Thấm Cho Đập Đất Vừa Và Nhỏ
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THẤM VÀ KIỂM SOÁT THẤM Ở ĐẬP ĐẤT
• 1.1. Thấm là nguyên nhân chính gây mất an toàn đập
• 1.2. Xử lý thấm cho đập đất khi hồ đang tích nước
• 1.2.1. Mục tiêu của xử lý thấm
• 1.2.2. Cấu tạo đập đất với các kết cấu chống thấm và kiểm soát thấm
• 1.2.3. Các giải pháp tăng tính chống thấm cho thân đập khi hồ đang tích nước
• 1.2.4. Kiểm soát thấm cho đập khi hồ đang tích nước
• 1.3. Tồn tại trong thiết kế kết cấu thu lọc và thoát nước thấm hạ lưu đập đất
• 1.3.1. Ví dụ ở nước ngoài
• 1.3.2. Ví dụ ở Việt Nam
• 1.4. Cơ chế vỡ đập do thấm và xói ngầm
• 1.4.1. Sự hình thành và phát triển của xói ngầm ở đập đất
• 1.4.2. Xử lý đường bão hòa trong thân đập dâng cao trên mái hạ lưu
• 1.4.3. Xử lý hiện tượng xói ngầm và lấp tắc trong tầng lọc
• 1.5. Tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế tầng lọc
• 1.5.1. Bộ phận thu lọc và thoát nước trong thân đập ở hạ lưu
• 1.5.2. Yêu cầu đối với bộ phận thu lọc và thoát nước thấm thân đập
• 1.5.3. Thành phần của hạt lọc ngược
• 1.5.4. Nhiệm vụ thiết kế tầng lọc ngược
• 1.5.5. Các trường hợp tính toán khi thiết kế thành phần hạt của lọc ngược
• 1.5.6. Yêu cầu chung đối với kết cấu lọc ngược trong công trình thủy công
• 1.6. Giới thiệu sáng chế “nêm cát để thu lọc nước thấm hạ lưu đập đất”
• 1.6.1. Mô tả sáng chế
• 1.6.2. Cơ chế lọc loại bỏ hạt bụi bằng băng khía rãnh đặt trong nêm cát
• 1.6.3. Khả năng thu và lọc nước của nêm cát
• 1.6.4. Chất lượng lọc sau khi qua nêm cát
• 1.7. Kết luận Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ NÊM CÁT
• 2.1. Phương pháp nghiên cứu
• 2.1.1. Các phương pháp nghiên cứu trong phân tích thấm đập đất
• 2.1.2. Ứng dụng phương pháp mô hình số để phân tích thấm đập đất có nêm cát
• 2.1.3. Lựa chọn phần mềm để tính thấm và kiểm tra an toàn về thấm
• 2.1.3.1. Giới thiệu phần mềm Seep/W
• 2.1.3.2. Giới thiệu phần mềm Midas GTS
• 2.2. Phân tích thấm đập đất bằng phần mềm Midas
• 2.2.1. Xác định vùng an toàn và vùng có nguy cơ mất an toàn về thấm
• 2.2.2. Xét ổn định khi thi công đào rãnh lắp đặt nêm cát
• 2.2.3. Ảnh hưởng của khoảng cách nêm cát đến hiệu quả hạ thấp đường bão hòa
• 2.3. Kết luận Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA NÊM CÁT THU LỌC NƯỚC THẤM TẠI ĐẬP ĐỒNG BỂ, TỈNH THANH HÓA
• 3.1. Hiện trạng thấm qua đập đất hồ Đồng Bể
• 3.1.1. Giới thiệu công trình
• 3.1.2. Mô tả hiện trạng thấm
• 3.1.3. Thí nghiệm hiện trường xác định hiệu quả của nêm cát
• 3.1.3.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm
• 3.1.3.2. Công tác chuẩn bị và thi công lắp đặt
• 3.1.3.3. Phương pháp đo
• 3.2. Kết quả quan trắc và bình luận
• 3.2.1. Kết quả quan trắc mực nước và lưu lượng thấm thoát ra từ nêm cát
• 3.2.2. Xác định vị trí (cao độ) của đường bão hòa đổ vào nêm cát
• 3.2.3. Kết quả đo chất lượng nước
• 3.3. So sánh giữa kết quả tính bằng phần mềm Midas với kết quả đo hiện trường
• 3.3.1. Số liệu tính toán
• 3.3.2. Các trường hợp tính toán thấm
• 3.3.3. Kết quả tính toán thấm bằng phần mềm Midas - bài toán phẳng
• 3.3.4. Phân tích thấm qua mô hình Midas 3D
• 3.3.5. So sánh kết quả giữa mô hình vật lý và mô hình toán
• 3.4. Kết luận Chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về hệ thống nêm cát

Hệ thống nêm cát là một giải pháp kỹ thuật quan trọng trong việc thu lọc nước thấm cho các công trình đập đất vừa và nhỏ. Đập đất, với cấu trúc chủ yếu từ vật liệu tự nhiên, thường gặp phải vấn đề thấm nước, dẫn đến mất ổn định và nguy cơ xói ngầm. Việc áp dụng hệ thống nêm cát giúp cải thiện khả năng thu nước thấm, từ đó nâng cao hiệu quả và an toàn cho công trình. Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên lý lọc ngược, giúp ngăn chặn sự di chuyển của các hạt đất nhỏ, đồng thời cho phép nước thấm được thu gom và thoát ra một cách hiệu quả. Theo nghiên cứu, việc bố trí hợp lý các nêm cát có thể giảm thiểu đáng kể nguy cơ xói ngầm và cải thiện khả năng thoát nước của đập.

1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Cấu trúc của hệ thống nêm cát bao gồm các băng thu nước được khía rãnh, gắn trên ống PVC, đặt trong lớp cát thô. Nguyên lý hoạt động của hệ thống này dựa trên hiện tượng mao dẫn, cho phép nước thấm được thu gom mà không bị tắc nghẽn do các hạt bụi. Hệ thống này không chỉ giúp thu lọc nước thấm mà còn bảo vệ các lớp đất bên dưới khỏi hiện tượng xói ngầm. Việc thiết kế và bố trí các nêm cát cần được thực hiện một cách khoa học, đảm bảo khoảng cách hợp lý giữa các nêm để tối ưu hóa hiệu quả thu nước. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng, việc sử dụng hệ thống nêm cát có thể nâng cao đáng kể khả năng thoát nước và giảm thiểu áp lực nước trong thân đập.

II. Nghiên cứu hiệu quả của hệ thống nêm cát

Nghiên cứu về hiệu quả của hệ thống nêm cát trong việc thu lọc nước thấm đã được thực hiện tại đập Đồng Bể, tỉnh Thanh Hóa. Kết quả cho thấy, việc lắp đặt hệ thống này đã giúp giảm thiểu đáng kể lượng nước thấm qua đập, đồng thời nâng cao độ ổn định của công trình. Các thí nghiệm hiện trường cho thấy, mực nước và lưu lượng thấm thoát ra từ nêm cát đã được kiểm soát tốt, góp phần bảo vệ an toàn cho đập. Hệ thống nêm cát không chỉ mang lại hiệu quả trong việc thu nước thấm mà còn giúp cải thiện chất lượng nước, giảm độ đục và các tạp chất có trong nước. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và đảm bảo an toàn cho các công trình thủy lợi.

2.1. Kết quả quan trắc và phân tích

Kết quả quan trắc cho thấy, sau khi lắp đặt hệ thống nêm cát, mực nước trong các giếng quan trắc đã giảm đáng kể, cho thấy hiệu quả của việc thu lọc nước thấm. Lưu lượng nước thấm qua đập cũng giảm rõ rệt, từ đó giảm thiểu nguy cơ xói ngầm và mất ổn định cho đập. Các số liệu thu thập được đã được phân tích và so sánh với các mô hình tính toán, cho thấy sự phù hợp giữa thực nghiệm và lý thuyết. Việc sử dụng phần mềm Midas để mô phỏng và tính toán thấm cũng đã chứng minh được tính chính xác và hiệu quả của hệ thống nêm cát trong việc kiểm soát nước thấm. Điều này không chỉ khẳng định giá trị của nghiên cứu mà còn mở ra hướng đi mới cho việc cải tạo và nâng cấp các công trình đập đất hiện có.

III. Ứng dụng thực tiễn và khuyến nghị

Hệ thống nêm cát đã chứng minh được hiệu quả trong việc thu lọc nước thấm cho các đập đất vừa và nhỏ. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp nâng cao an toàn cho các công trình mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Các khuyến nghị cho việc triển khai hệ thống này bao gồm việc đào tạo kỹ thuật cho các kỹ sư, đảm bảo quy trình thi công đúng kỹ thuật và theo dõi hiệu quả hoạt động của hệ thống sau khi lắp đặt. Ngoài ra, cần có các nghiên cứu tiếp theo để tối ưu hóa thiết kế và bố trí hệ thống nêm cát, nhằm nâng cao hiệu quả và giảm thiểu chi phí cho các công trình thủy lợi. Việc áp dụng hệ thống này sẽ là một bước tiến quan trọng trong việc quản lý và bảo trì các công trình đập đất, đảm bảo an toàn cho cộng đồng và môi trường.

3.1. Đề xuất giải pháp cải tiến

Để nâng cao hiệu quả của hệ thống nêm cát, cần nghiên cứu và phát triển thêm các giải pháp cải tiến như sử dụng vật liệu lọc mới, cải tiến thiết kế băng thu nước, và tối ưu hóa khoảng cách giữa các nêm. Việc áp dụng công nghệ mới trong thi công và giám sát cũng sẽ giúp nâng cao chất lượng và hiệu quả của hệ thống. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc đánh giá lâu dài hiệu quả của hệ thống nêm cát trong các điều kiện khác nhau, từ đó đưa ra các tiêu chuẩn thiết kế phù hợp cho từng loại đập đất. Điều này không chỉ giúp cải thiện an toàn cho các công trình mà còn góp phần bảo vệ tài nguyên nước và môi trường sống.