CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU THẤM QUA ĐẬP ĐẤT VÀ NỀN 1. Tình hình xây dựng đập đất trên thế giới và ở Việt Nam Đập đất là một loại đập xây dựng bằng các loại đất hiện có ở vùng xây dựng như: sét, á sét, á cát, cát, sỏi, cuội… Đập đất có cấu tạo đơn giản, vững chắc, có khả năng cơ giới hóa cao khi thi công và trong đa số các trường hợp có giá thành hạ nên loại đập này được ứng dụng rộng rãi nhất ở hầu hết các nước 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. Về sau đập đất càng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thủy lợi nhằm lợi dụng tổng hợp tài nguyên dòng nước.
Theo tư liệu của ASCE ( American Society of Civil Engineering) thì đập lớn nhất bằng đất lẫn đá cổ xưa nhất là đập Sadd – el – Kafura cao khoảng 22m ở Ai Cập vào khoảng năm 2850 trước công nguyên. Ngày nay, nhờ sự phát triển của nhiều ngành khoa học như cơ học đất, lý luận thấm, địa chất thủy văn và địa chất công trình v.v… cũng như việc ứng dụng rộng rãi cơ giới hóa và thủy cơ hóa trong thi công cho nên đập đất càng có xu hướng phát triển mạnh mẽ. Cho đến nay các nước đã xây dựng hàng nghìn đập đất. Riêng Nhật Bản có 1281 đập đất cao hơn 15m; trong đó có trên 70 đập cao hơn 75m.Một số đập đất lớn trên thế giới.1: Các đập đất có chiều cao lớn trên thế giới Chiều cao Stt Tên Đập Nước (m) 1 Oroville Mỹ 224 5 2 Bennett Dam Canada 186 3 Swift Mỹ 156 4 Anderson Banch Mỹ 139 5 Navajo Mỹ 124 6 Serre – Poncon Pháp 122 7 Hicks Mỹ 122 8 Mattmark Thuỵ Sỹ 115 9 Hills Greek Mỹ 105,5 10 Lucky – Peak Mỹ 101 11 Casitas Mỹ 101 12 San Luis Dam Mỹ 93 Syncrude Tailings Dam Mildred 13 Canada 88 Mildred Lake Settling Basin (MLSB) 14 Fort Peck Dam Mỹ 76,4 15 Cochiti Dam Mỹ 76,5 16 Garrison Dam Mỹ 64 17 Fort Randall Dam Mỹ 50,3 Syncrude Tailings Dam Mildred 18 Canada 40 South West Sand Storage (SWSS) Đập đất đắp cao nhất hiện nay là đập Oroville (Mỹ) cao 224m.
Trong những năm gần đây, trên phạm vi thế giới đang có xu hướng xây dựng nhiều đập đất cao. Ở Mỹ, tính từ năm 1963 trở lại đây thì đập bằng vật liệu địa 6 phương, trong đó chủ yếu là đập đất chiếm 75% trong toàn bộ các đập đã xây dựng. Tại Việt Nam: Với ưu điểm nổi bật của đập đất là kinh tế, dễ dàng trong thi công và vật liệu sẵn có nên đập vật liệu địa phương là loại đập phổ biến nhất khi xây dựng hồ chứa ở Việt Nam. Đập đất đã được áp dụng cho nhiều công trình cụ thể như: Cấm Sơn, Yên Lập, Núi Cốc, Kẻ Gỗ, Phú Ninh, Dầu Tiếng… Dưới đây là một số đập vật liệu địa phương tại Việt Nam.2: Một số đập đất lớn tại Việt Nam Chiều cao Stt Tên đập Năm hoàn thành (m) 1 Tả Trạch 55 Đang thi công 2 Cấm Sơn 40 1972 Đập phụ Dốc Cáy hồ Cửa 3 40 2009 Đạt 4 Đập Suối Rộp 40 1991 5 Yên lập 39 1980 6 Kẻ Gỗ 37,4 1979 7 Đập Yaun hạ 36 1998 8 Phú Ninh 36 1982 9 Đập Easúp Thượng 26 2004 10 Đập hồ Núi cốc 25 1978 7 11 Pa Khoang 26 1978 12 Yên Mỹ 26 1980 13 Sông Mực 28 1983 14 Đá Bàn 26,2 1988 Đập chiếm một vị trí quan trọng trong cụm công trình đầu mối của các hồ chứa hoặc các công trình dâng nước.
Để xây dựng các đập trên sông, suối người ta sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau, trong đó dùng đất để đắp đập khá phổ biến. Các loại vật liệu đất có sẵn ở địa phương từ các sản phẩm của bồi tích, sườn tích hoặc phong hóa, như: á sét, sét, á cát, cuội, sỏi, … đều có thể dùng cho việc đắp đập. Những ưu điểm của đập đất chúng ta đều đã biết, tuy nhiên trong một số trường hợp đập đất vẫn còn một số tồn tại như: − Do đập đất có 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; − Ở những sông suối có sự chênh lệch mực nước giữa các mùa lớn, khi xây dựng đập đấp sẽ không kinh tế do chiều cao đập lớn, công trình tràn lớn; − Ảnh hưởng do mực nước công trình rút nhanh đến khả năng ổn định của mái đập; − Đất là vật liệu dễ biến dạng dẫn đến nứt nẻ hay động vật xâm hại hình thành các hang thấm tập trung. Tình trạng chung hiện nay nhiều đập đã xuống cấp nghiêm trọng, hiện tượng thấm qua thân đập khá phổ biến.
Mái thượng lưu các đập đa số đều hư hỏng, đá lát long rời, xói lở; mái hạ lưu các đập có hệ thống tiêu thoát nước mặt xây dựng chưa tốt, thường bị xói trong mùa mưa bão, một số đập đã xẩy ra sự cố thiệt hại đáng kể về kinh tế xã hội ở vùng hạ lưu công trình. Các giải pháp chống thấm cho đập và nền 1. Đối với kết cấu đập đồng chất MNDBT MNC Hình 1.1: Đập đất đồng chất Khi đập đồng chất đắp bằng đất có hệ số thấm lớn, để đảm bảo được ổn định thấm, biện pháp thường dùng để đảm bảo ổn định thấm là tăng kích thước mặt cắt đập và khối lượng đất đắp. Đối với đập không đồng chất: Đập không đồng chất có nhiều vật liệu có tính chất cơ lý 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 được các mặt lợi của chúng để phòng tránh sự cố do đất gây ra. MNDBT MNC A B C MNDBT III MNC II I Hình 1.2: Sơ đồ bố trí đất đắp trong thân đập I: Vùng thường xuyên bão hòa 9 II: Vùng bị bão hòa từng thời kỳ. III: Vùng khô ướt thay đổi trong năm (A): Khối lăng trụ thượng lưu (B): Khối trung tâm (C): Khối lăng trụ hạ lưu Đất có hệ số thấm K>10-4 cm/s hoặc bị lún ướt lớn, hoặc tan rã mạnh, không được bố trí ở các vùng I và II, có thể bố trí tại vùng III với điều kiện phải có biện pháp cách ly nước thấm và tiêu thoát nước mưa tốt; Đất bị trương nở tự do mạnh, hệ số thấm K>10-4 cm/s không được bố trí tại các vùng A, B, III, có thể bố trí ở vùng C nhưng phải có biện pháp hạ thấp đường bão hòa và cách ly, tiêu thoát nước mưa tốt. Đập có tường lõi mềm: Trong trường hợp khối trung tâm vùng B bằng đất sét hoặc đất á sét, hệ số thấm nhỏ thì khối này trở thành tường lõi mềm.
MNDBT MNC Hình 1.3: Đập có tường lõi mềm Yêu cầu chủ yếu đối với đất sét làm vật liệu chống thấm là ít thấm nước và có tính dẻo. 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. Tính dẻo biểu thị bằng chỉ số dẻo (Wn ) phải đảm bảo yêu cầu Wn >7 để dễ thi công. Đất sét béo W n >20 là loại vật liệu không thích hợp vì có hàm lượng nước quá lớn khó thi công dễ sinh ra áp lực kè rỗng lớn làm mất ổn định mái đập.
10 Theo cấu tạo bề dày tường lõi đắp bằng đất sét không nhỏ quá 0,8m, độ 1 dày chân tường lõi không nhỏ hơn cột nước, người ta dựa vào chỉ số 10 Gradient thấm cho phép [J] để xác định bề dày của tường lõi. Khi xây dựng đập trên nền thấm. Độ cắm sâu tường lõi vào nền đất tốt ít thấm nước. Đỉnh tường lõi cao hơn mực nước dâng bình thường Δ = 0,3 – 0,6m.
Đập có tường nghiêng mềm Trong trường hợp khối lăng trụ thượng lưu (vùng A) bằng đất sét chống thấm, khối lăng trụ thượng lưu trở thành tường nghiêng chống thấm trong thân đập. MNDBT MNC Hình 1.4: Đập có tường nghiêng mềm (đất sét) Tường nghiêng đặt ở sát mái thượng lưu đập có ưu điểm hạ thấp đường bão hòa xuống nhanh, làm cho đại bộ phận đất thân đập được khô ráo và tăng thêm tính ổn định của mái hạ lưu. Đập Đá Bàn (Khánh Hòa) và đập Núi Một (Bình Định) … thuộc loại kết cấu này. Bề dày tường nghiêng phụ thuộc các yêu cầu cấu tạo và Gradient thủy lực cho phép của đất đắp tường.
Bề dày tường nghiêng tăng từ trên xuống dưới. Bề dày đỉnh tường không nhỏ hơn 0,8m, chân tường nghiêng không nhỏ 1 hơn H (H: cột nước tác dụng) nhưng không nhỏ hơn 2-3m. Độ vượt cao của 10 đỉnh tường nghiêng trên MNDBT ở thượng lưu tùy theo cấp công trình δ=0,5÷0,8m. Đỉnh tường không được thấp hơn mực nước tĩnh gia cường.
11 Trên mặt tường nghiêng có phủ một lớp bảo vệ đủ dày để tránh mưa nắng, sóng gió giữa tường nghiêng và lớp bảo vệ có bố trí tầng lọc ngược. Đập đất đồng chất có chân răng MNDBT MNC Hình 1.5: Đập đất đồng chất có chân răng Khi có đủ đất đắp với hệ số thấm không lớn thì có thể đắp đập đồng chất. Nhưng nếu nền là các lớp trầm tích có hệ số lớn, với chiều dày tầng thấm không lớn (T< 6 ÷ 7 m) thì có thể làm chân răng ngang toàn bộ tầng thấm. Vật liệu làm chân răng được sử dụng bằng chính đất đắp đập.
Khi đó kết cấu đập là loại đập đồng chất có chân răng. Đập đất có tường nghiêng và sân phủ phía trước mềm Khi đắp đập có tường nghiêng trên nền có lớp đất thấm mạnh có chiều dày lớn, người ta thường xây dựng thêm 1 sân phủ phía trước chống thấm bằng cùng một loại đất với tường nghiêng nối liền với nhau. Sân trước có tác dụng nhiều mặt nhưng chủ yếu là tăng chiều dài đường viền không thấm để giảm áp lực thấm và lưu lượng thấm qua nền. Kết cấu và kích thước sân phủ trước phải thỏa mãn yêu cầu cơ bản sau: ít thấm nước, có tính mềm dẻo dễ thích ứng với biến hình của nền.
Chiều dài sân trước được xác định theo các yêu cầu kinh tế và kỹ thuật phụ thuộc nhiều yếu tố như: chênh lệch mực nước thượng hạ lưu đập, chiều dài sân phủ thường lấy theo kinh nghiệm 12 L = (3÷5)H (1-1) Trong đó: H: chênh lệch cột nước thượng hạ lưu đập. Chiều dài tối đa của sân trước có thể tính theo công thức của Ughintrut 𝑘 𝐿𝑚𝑎𝑥 = 2.