Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Hiệu quả của hệ thống nêm cát thu lọc nước thấm trong nâng cấp, sữa chữa đập đất vừa và nhỏ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:147

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích chung của đề tài luận án "Hiệu quả của hệ thống nêm cát thu lọc nước thấm trong nâng cấp, sữa chữa đập đất vừa và nhỏ" là đề xuất kết cấu nêm cát thu-lọc-thoát nước thấm ở hạ lưu đập đất vừa và nhỏ thay thế cho kết cấu lọc ngƣợc cát-đá-sỏi truyền thống. Kiến nghị phương án bố trí nêm cát để vừa đảm bảo hiệu quả thu-lọc-thoát nước thấm, vừa bảo đảm an toàn thi công khi hồ đang tích nước.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Hiệu quả của hệ thống nêm cát thu lọc nước thấm trong nâng cấp, sữa chữa đập đất vừa và nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM ___________________________________ PHẠM ĐÌNH VĂN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ HỆ THỐNG NÊM CÁT THU LỌC NƢỚC THẤM TRONG NÂNG CẤP, SỬA CHỮA ĐẬP ĐẤT VỪA VÀ NHỎ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HàNội - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM _________________________________ PHẠM ĐÌNH VĂN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ HỆ THỐNG NÊM CÁT THU LỌC NƢỚC THẤM TRONG NÂNG CẤP, SỬA CHỮA ĐẬP ĐẤT VỪA VÀ NHỎ Chuyê ngà : Kỹ thuật Xâ dựng Cô trì thủy n nh y ng nh Mãsố : 9 58 02 02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS.TS. Nguyễn Quốc Dũng 2. TS. Phan Trƣờng Giang HàNội - 2019
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riê tô Cá số liệu, kết quả ng i. c trì bà trong luận á làtrung thực và chƣa từng đƣợc ai cô bố trong bất kýcô trì nh y n ng ng nh nà khá o c. Tôi xin cam đoan luận án đƣợc tiến hà nghiê cứu một cá nghiê tú vàkết nh n ch m c quả nghiê cứu của cá nhànghiê cứu đi trƣớc đã đƣợc tiếp thu một cá châ thực, cẩn n c n ch n trọng, cótrí nguồn dẫn cụ thể trong luận á ch n. HàNội, ngày tháng năm 2019 TÁC GIẢ LUẬN ÁN PHẠM ĐÌNH VĂN
ii LỜI CẢM ƠN Luận á tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật xâ dựng cô trì thủy với đề tài n y ng nh “Nghiên cứu hiệu quả và bố trí hợp lý hệ thống nêm cát thu lọc nƣớc thấm trong nâng cấp sửa chữa đập đất vừa và nhỏ” là kết quả của quá trình cố gắng không ngừng của bản thân với sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các thầy, bạn bè đồng nghiệp và ngƣời thân. Qua trang viết này tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các cơ quan, các cá nhâ đã giúp đỡ tôi trong n thời gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua. Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với GS.TS. Nguyễn Quốc Dũng, TS. Phan Trƣờng Giang đã tận tình hƣớng dẫn cũng nhƣ cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết cho luận án này. Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam, phòng Đào tạo, nhóm nghiên cứu thuộc Viện Thuỷ công và đặc biệt là Tổng cô ty TNHH MTV ng khai thá cô trì Thuỷ lợi sông Chu đã cho phép đặt môhì thí c ng nh nh nghiệm tại Hồ chứa nƣớc Đồng Bể thuộc huyện Triệu Sơn, tỉnh Thanh Hó tạo điều kiện cho tôi hoàn thành a, tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, đơn vị công tác và gia đình đã giúp đỡ, ủng hộ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận án. TÁC GIẢ LUẬN ÁN PHẠM ĐÌNH VĂN
iii MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU………………………………………………………........ vi DANH MỤC HÌ VẼ VÀ BIỂU ĐỒ……………………………………………….. vii NH DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU…………………………………… x GIẢI THÍ THUẬT NGỮ………………………………………………………… xiii CH MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………… 1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THẤM VÀ KIỂM SOÁT THẤM Ở ĐẬP ĐẤT….. 7 1.1 Thấm lànguyê nhâ chí gâ mất an toàn đập .................................................... 7 n n nh y 1.2 Xử lýthấm cho đập đất khi hồ đang tích nƣớc......................................................... 9 1.2.1 Mục tiê của xử lýthấm..................................................................................... 9 u 1.2.2 Cấu tạo đập đất với cá kết cấu chống thấm vàkiểm soá thấm ....................... 9 c t 1.2.3 Cá giải pháp tăng tính chống thấm cho thân đập khi hồ đang tích nƣớc ....... 10 c 1.2.4 Kiểm soá thấm cho đập khi hồ đang tích nƣớc ............................................... 12 t 1.3 Tồn tại trong thiết kế kết cấu thu lọc và thoát nƣớc thấm hạ lƣu đập đất .............. 14 1.3.1 Ví ở nƣớc ngoà........................................................................................... 15 dụ i 1.3.2 Ví ở Việt Nam ............................................................................................. 15 dụ 1.4 Cơ chế vỡ đập do thấm vàxó ngầm ...................................................................... 18 i 1.4.1 Sự hì thà vàphá triển của xó ngầm ở đập đất ........................................ 18 nh nh t i 1.4.2 Xử lý đƣờng bão hòa trong thân đập dâ cao trê má hạ lƣu ....................... 19 ng n i 1.4.3 Xử lýhiện tƣợng xó ngầm vàlấp tắc trong tầng lọc....................................... 20 i 1.5 Tiê chuẩn hƣớng dẫn thiết kế tầng lọc.................................................................. 23 u 1.5.1 Bộ phận thu lọc vàthoát nƣớc trong thân đập ở hạ lƣu ................................... 23 1.5.2 Yê cầu đối với bộ phận thu lọc và thoát nƣớc thấm thân đập ........................ 23 u 1.5.3 Thà phần của hạt lọc ngƣợc ......................................................................... 24 nh 1.5.4 Nhiệm vụ thiết kế tầng lọc ngƣợc .................................................................... 24
iv 1.5.5 Các trƣờng hợp tí toá khi thiết kế thà phần hạt của lọc ngƣợc .............. 24 nh n nh 1.5.6 Yê cầu chung đối với kết cấu lọc ngƣợc trong cô trì thủy cô ............ 24 u ng nh ng 1.6 Giới thiệu sá chế “nêm cát để thu lọc nƣớc thấm hạ lƣu đập đất” ..................... 26 ng 1.6.1 Môtả sá chế ................................................................................................. 26 ng 1.6.2 Cơ chế lọc loại bỏ hạt bụi bằng băng khía rãnh đặt trong nê cá .................. 28 m t 1.6.3 Khả năng thu và lọc nƣớc của nê cá ............................................................ 30 m t 1.6.4 Chất lƣợng lọc sau khi qua nê cá ................................................................. 31 m t 1.7 Kết luận Chƣơng 1 .................................................................................................. 31 CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ NÊM CÁT…………………… 33 2.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................... 33 2.2 Phƣơng pháp nghiê cứu ........................................................................................ 33 n 2.2.1 Các phƣơng pháp nghiên cứu trong phâ tí thấm đập đất ........................... 33 n ch 2.2.2 Ứng dụng phƣơng pháp mô hình số để phâ tí thấm đập đất cónê cá .... 35 n ch m t 2.3 Lựa chọn phần mềm để tí thấm vàkiểm tra an toà về thấm ............................. 37 nh n 2.3.1 Giới thiệu phần mềm Seep/W .......................................................................... 37 2.3.2 Giới thiệu phần mềm Midas GTS .................................................................... 38 2.4 Phâ tí thấm đập đất bằng phần mềm Midas ...................................................... 44 n ch 2.4.1 Xác định vù an toà vàvù cónguy cơ mất an toà về thấm ................... 44 ng n ng n 2.4.2 Xé ổn định khi thi công đào rãnh lắp đặt nê cá .......................................... 48 t m t 2.4.3 Ảnh hƣởng của khoảng cách nêm cát đến hiệu quả hạ thấp đƣờng bã hò ... 52 o a 2.5 Kết luận Chƣơng 2 .................................................................................................. 55 CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CỦA NÊM CÁT THU LỌC NƢỚC THẤM TẠI ĐẬP ĐỒNG BỂ, TỈNH THANH HÓA................................................... 57 3.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................... 57
v 3.2 Hiện trạng thấm qua đập đất hồ Đồng Bể .............................................................. 58 3.2.1 Giới thiệu cô trì ........................................................................................ 58 ng nh 3.2.2 Môtả hiện trạng thấm ...................................................................................... 60 3.3 Thínghiệm hiện trƣờng xác định hiệu quả của nê cá ........................................ 63 m t 3.3.1 Sơ đồ bố trí nghiệm..................................................................................... 63 thí 3.3.2 Cô tá chuẩn bị vàthi cô lắp đặt .............................................................. 63 ng c ng 3.3.3 Phƣơng pháp đo ............................................................................................... 68 3.4 Kết quả quan trắc vàbì luận ............................................................................... 69 nh 3.4.1 Kết quả quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng thấm thoá ra từ nê cá............... 69 t m t 3.4.2 Xác định vị trí (cao độ) của đƣờng bão hoà đổ và nê cá ........................... 72 o m t 3.4.3 Kết quả đo chất lƣợng nƣớc ............................................................................. 75 3.5 So sá giữa kết quả tí bằng phần mềm Midas với kết quả đo hiện trƣờng ...... 76 nh nh 3.5.1 Số liệu tí toá ............................................................................................... 76 nh n 3.5.2 Các trƣờng hợp tí toá thấm ........................................................................ 77 nh n 3.5.3 Kết quả tí toá thấm bằng phần mềm Midas- bà toá phẳng ..................... 78 nh n i n 3.5.4 Phâ tí thấm qua môhì Midas 3D ............................................................ 79 n ch nh 3.5.5 So sá kết quả giữa môhì vật lývàmôhì toá ..................................... 81 nh nh nh n 3.6 Kết luận Chƣơng 3 .................................................................................................. 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 86 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌ KHOA HỌC CÔNG BỐ……………………… 89 NH TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………. 90 PHỤ LỤC ……………………………………………………………………………….94
vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1 Tổng kết các hƣ hỏng đập đất tại Mỹ [29] ........................................................... 7 Bảng 1-2 Độ đục của nƣớc khi đã qua kết cấu lọc ở các công trình đã xây dựng ............ 31 Bảng 2-1 Hệ số thấm của thâ vànền đập trong các trƣờng hợp tí toá ...................... 46 n nh n Bảng 2-2 Kết quả tí chiều cao điểm ra của đƣờng bã hò a0 ...................................... 47 nh o a Bảng 2-3 Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu trong tí toá ......................................................... 48 nh n Bảng 2-4 Hệ số ổn định vàgradient thấm khi đào rãnh 20 m, ..., 1 m ............................. 50 Bảng 2-5 Hệ số ổn định khi đào với kịch bản B (chiều rộng nê cá là1 m) .................. 51 m t Bảng 2-6 Hệ số ổn định khi đào với kịch bản C (chiều rộng nê cá là2 m) .................. 52 m t Bảng 2-7 Kết quả tính toán độ vồng của nê cá với kịch bản D .................................... 55 m t Bảng 3-1 Thô số hiện trạng cô trì [2] .................................................................... 59 ng ng nh Bảng 3-2 Kết quả quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng sau khi lắp đặt nê cá năm 2016 70 m t, Bảng 3-3 Kết quả quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng sau một năm lắp đặt nêm, năm 2017 ............................................................................................................................................ 71 Bảng 3-4 Kết quả đo lƣu lƣợng qua cá lớp băng trong nêm N2 ...................................... 73 c Bảng 3-5 Bảng kết quả đo độ đục trƣớc vàsau nê cá................................................... 75 m t Bảng 3-6 Thô số của đập đất Đồng Bể ......................................................................... 76 ng Bảng 3-7 Bảng chỉ tiêu cơ lý của đập vànê cá............................................................. 77 m t Bảng 3-8 Bảng kết quả tính toán lƣu lƣợng và điểm ra của đƣờng bã hò o a..................... 79 Bảng 3-9 Cao độ mực nƣớc tí toá tại cá vị trí nh n c quan trắc so với kết quả đo thực tế .... 83
vii DANH MỤC HÌ VẼ VÀ BIỂU ĐỒ NH Hì 1-1 Cấu tạo của đập đất với cá kết cấu lọc và thoát nƣớc khá nhau [34]............. 10 nh c c Hì 1-2 Tƣờng chống thấm cho thâ vànền đập............................................................. 10 nh n Hì 1-3 Tƣờng nghiê chống thấm + sâ phủ .............................................................. 11 nh ng n Hì 1-4 Tƣờng hà tại tim đập ....................................................................................... 11 nh o Hì 1-5 Cá dạng kết cấu lọc và thoát nƣớc ................................................................... 14 nh c Hì 1-6 Ví về một cô trì xử lýsai lầm ở Mỹ [39].............................................. 15 nh dụ ng nh Hì 1-7 Bố trí nh hợp lýkết cấu lọc khi đắp á trú theo khuyến cá của FEMA [36] ...... 15 p c o Hì 1-8 Đắp á trú má hạ lƣu ở đập QuýLộ (Nghệ An) [29] ..................................... 16 nh p c i Hì 1-9 Đắp á trú má hạ lƣu ở đập Triệu Thƣợng (Quảng Trị) [29] ......................... 17 nh p c i Hì 1-10 Hì ảnh trƣợt má hạ lƣu Triệu Thƣợng (Quảng Trị) [29] ............................ 17 nh nh i Hì 1-11 Sử dụng ống đục lỗ ở đập Hà Lợn (Sóc Sơn, Hà Nội) [29] ......................... 17 nh m Hì 1-12 Quátrì pháhoại đập đất do dò thấm ....................................................... 19 nh nh ng Hì 1-13 Thấm quámức ra má hạ lƣu ............................................................................ 19 nh i Hì 1-14 Ống xó hì thà dọc theo cống lấy nƣớc gâ vỡ đập .................................. 19 nh i nh nh y Hì 1-15 Tiêu chí an toàn xét đến điểm ra của đƣờng bã hò [18] .............................. 20 nh o a Hì 1-16 Cơ chế lọc vàlấp tắc tầng lọc [36] .................................................................. 22 nh Hì 1-17 Cắt theo chiều dò thấm (cắt ngang đập) qua nê cá [14]. ......................... 27 nh ng m t Hì 1-18 Mặt bằng của hệ thống nê cá bố trí nh m t theo dạng ngắt quã [14] .................. 28 ng Hì 1-19 Miê tả cơ chế lọc hạt bụi của băng thu nƣớc khí rã [12] ......................... 29 nh u a nh Hì 1-20 Ảnh chụp cá thi cô lắp đặt băng thu nƣớc khí rã [12]........................ 29 nh ch ng a nh Hì 1-21 Kết quả thí nh nghiệm khả năng thu nƣớc của băng [28] .................................... 30 Hì 2-1 Kết quả tính toán đƣờng bã hò của các trƣờng hợp khá nhau [17] .............. 36 nh o a c Hì 2-2 So sánh đƣờng bã hò tí bằng phần mềm Seep/W vàMidas GTS [17] ...... 36 nh o a nh
viii Hì 2-3 Cơ chế chiết giảm , c ....................................................................................... 42 nh Hì 2-4 Sơ đồ tính toán đƣờng bã hoàvàổn định ........................................................ 43 nh o Hì 2-5 Môphỏng khả năng hút nƣớc của băng lọc ...................................................... 43 nh Hì 2-6 Sơ đồ tí toá ổn định khi đào rãnh để lắp nê cá với đập H=15m .............. 44 nh nh n m t Hì 2-7 Biểu đồ thống kêhệ số thấm thân đập với chiều cao đập dƣới 15 m ................ 45 nh Hì 2-8 Biểu đồ thống kêhệ số thấm nền đập với chiều cao đập dƣới 15 m ................. 46 nh Hì 2-9 Đƣờng bão hòa trong thân đập của các trƣờng hợp tí toá ........................... 47 nh nh n Hì 2-10 Sơ đồ đào rãnh với chiều rộng khoang đào khác nhau (Kịch bản A) ............. 48 nh Hì 2-11 Bức tranh dò thấm ra má hạ lƣu ................................................................. 49 nh ng i Hì 2-12 Quy luật thay đổi K vàJ khi đào theo kịch bản A.......................................... 50 nh Hì 2-13 Trƣờng hợp đào nhiều rã cù lú (Kịch bản B vàC) ................................ 51 nh nh ng c Hì 2-14 Quy luật thay đổi K vàJ khi đào theo kịch bản B vàC .................................. 52 nh Hì 2-15 Mặt cắt đập cólắp đặt nê cá ........................................................................ 53 nh m t Hì 2-16 Trƣờng hợp tí toá với kịch bản D .............................................................. 53 nh nh n Hì 2-17 Sơ họa các kích thƣớc khi dò thấm bị vồng lê do khoảng cá giữa cá nh ng n ch c nê cá a) khoảng cá nê là3 m; b) khoảng cá nê là5 m ..................................... 54 m t. ch m ch m Hì 2-18 Kết quả trí xuất từ phần mềm Midas để thấy độ vồng ................................ 54 nh ch Hì 2-19 Đƣờng bã hoàsau khi cónê cá vàso sá với tiê chí toà ................ 55 nh o m t nh u an n Hì 3-1 Vị trí Đồng Bể - Thanh Hó (nguồn google Map) ....................................... 58 nh hồ a Hì 3-2 Mặt cắt đập Đồng Bể sau khi đắp thê khối áp trúc (năm 2003) [2] ............... 61 nh m Hì 3-3 Mặt bằng cá vị trí nh c xuất hiện thấm .................................................................... 61 Hì 3-4 Hiện tƣợng thấm trên cơ hạ lƣu, ví trí số 2 (ảnh chụp ngà 14/4/2016) ........... 62 nh y Hì 3-5 Hố đào kiểm tra cho thấy nƣớc ứ lại ở vù tiếp xú giữa đập cũ và khối á nh ng c p trú màkhô chảy về đống đá tiêu nƣớc (ảnh chụp thá 6/2016) ................................. 62 c ng ng Hì 3-6 Sơ đồ khô gian bố trí đặt nê cá vàgiếng quan trắc ............................. 65 nh ng lắp m t
ix Hì 3-7 Mặt cắt nê cá vàcá thiết bị đo ..................................................................... 65 nh m t c Hì 3-8 Sơ đồ bố trí c lớp băng trong nêm cát ............................................................ 67 nh cá Hì 3-9 Ảnh chụp đang quan trắc mực nƣớc và đo lƣu lƣợng (11/2017). ..................... 67 nh Hì 3-10 Hì ảnh thi cô tại hiện trƣờng. a) Đào rãnh; b) Lắp đặt nê cá c) Hoà nh nh ng m t; n thà thi cô nê cá........................................................................................................ 68 nh ng m t Hì 3-11 Kết quả quan trắc cột nƣớc trong cá giếng, năm 2016 và 2017 .................... 72 nh c Hì 3-12 Khả năng thu nƣớc tại vị trí m N2 ................................................................ 73 nh nê Hì 3-13 Nƣớc thấm và chủ yếu ở lớp nêm dƣới cù ................................................ 74 nh o ng Hì 3-14 Kết quả quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng sau khi lắp đặt nê cá năm 2016 nh m t, và năm 2017........................................................................................................................ 74 Hì 3-15 Sơ đồ vị trí mẫu đo độ đục trƣớc vàsau nê cá ..................................... 75 nh lấy m t. Hì 3-16 Mặt cắt ngang đập Đồng Bể tại vị trí nh toá ............................................... 76 nh tí n Hì 3-17 Sơ đồ các trƣờng hợp tí toá ....................................................................... 77 nh nh n Hì 3-18 Đƣờng bão hoà cho các trƣờng hợp TH1 vàTH2 ........................................... 78 nh Hì 3-19 Đƣờng bão hoà cho các trƣờng hợp TH2, TH3 vàTH4 ................................. 78 nh Hì 3-20 Môhì tí toá thấm 3D ............................................................................. 80 nh nh nh n Hì 3-21 Hì ảnh đƣờng bã hoàtại cá mặt cắt xem xé ........................................... 81 nh nh o c t. Hì 3-22 So sá kết quả đo đạc thực tế vàtí toá MNTL = +36,80 m ................... 81 nh nh nh n, Hì 3-23 So sá kết quả đo đạc thực tế vàtí toá MNTL = +38,20 m ................... 81 nh nh nh n, Hì 3-24 So sá kết quả đo đạc thực tế vàtí toá MNTL = +39,05 m ................... 81 nh nh nh n, Hì 3-25 So sá kết quả đo đạc thực tế vàtí toá MNTL = +39,70 m ................... 82 nh nh nh n, Hì 3-26 Hì ảnh độ vồng đƣờng bã hoàdo nê cá tí bằng môhì 3D ............. 84 nh nh o m t nh nh Hì 3-27 So sá kết quả tính toán độ vồng bằng lýthuyết với thực nghiệm ............... 84 nh nh
x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Cá từ viết tắt c ASCE Hội cô binh Hoa Kỳ ng USCOLD Hội đập lớn Hoa Kỳ FEMA Cục ứng cứu khẩn cấp liê bang Hoa Kỳ n USBR Cục khai hoang Hoa Kỳ Ống PVC Ống nhựa NTU Tổng hàm lƣợng chất rắn lơ lửng MNDBT Mực nƣớc dâng bình thƣờng MNDGC Mực nƣớc dâng gia cƣờng MNTL Mực nƣớc thƣợng lƣu TL Thƣợng lƣu HL Hạ lƣu TH Trƣờng hợp ĐBH Đƣờng bã hò o a PTHH Phần tử hữu hạn BPCB Biến phâ cục bộ n 2. Cá kýhiệu c Qc Lƣu lƣợng cần thoá tí bằng lí trê phú (lí t, nh t n t, t/phút) Lb Chiều dài băng thu nƣớc cần lắp đặt, tí bằng mé (m) nh t Wb Lƣu lƣợng thu đƣợc trê 1 m chiều dài băng thu nƣớc (lí n t/phút/m), theo kết quả thínghiệm, tù thuộc môi trƣờng ngập nƣớc y
xi v Lƣu tốc thấm Darcy, (m/s) k Hệ số thấm của đất, (m/s) j Gradien thủy lực H Cột nƣớc tổng, (m) kx Hệ số thấm theo phƣơng x, (m/s) ky Hệ số thấm theo phƣơng y, (m/s) kz Hệ số thấm theo phƣơng z, (m/s) Q Lƣu lƣợng và ra trong một đơn vị thể tí trê một đơn vị thời gian, o/ ch n (m3/s)  Độ ẩm thể tí (m3/s) ch, t Thời gian, (s) mw Độ dốc của đƣờng cong hàm lƣợng nƣớc, (1/m) uw Cột nƣớc á lực, (m) p pw Áp lực nƣớc lỗ rỗng, (kN/m2) w Khối lƣợng riê của nƣớc, (kN/m3) ng y Cao trì mặt nƣớc, (m) nh Sw Độ bã hò o a n Độ rỗng hiệu dụng Vv Thể tí khô khí ch ng  Hệ số né của tầng chứa nƣớc n cw Tí né của nƣớc nh n Ss Lƣợng tí trữ nƣớc ch
xii  Hệ số lƣợng tí trữ nƣớc ch  Sức khá cắt của vật liệu ng f Sức khá cắt của mặt trƣợt ng Kminmin Hệ số ổn định nhỏ nhất [K]cp Hệ số ổn định cho phép [J] cp Gradient thấm cho phép
xiii GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ “Đập vừa và nhỏ” Đập vừa có chiều cao từ 10 m đến dƣới 15 m hoặc đập có dung tí toà bộ từ 500.000 m3 đến dƣới 3.000.000 m3, chiều dài đập nhỏ hơn 500 m và có lƣu ch n lƣợng trà xả lũ thiết kế dƣới 2.000 m3/s. Đập nhỏ là đập cóchiều cao dƣới 10 m hoặc hồ n chứa nƣớc có dung tí toà bộ dƣới 500.000 m3, theo quy định trong điều 3 nghị định ch n 114/2018/ND-CP về Quản lý an toàn đập, hồ chứa nƣớc. “Khối lõ (Core)” là khối đất cótí thấm thấp làm tƣờng tâ cản nƣớc trong đập. i nh m “Châ khay (Cutoff Trench)” là tƣờng hà chặn ngang tầng thấm nhiều ở nền, đƣợc n o nối với lõi. “Khối thƣợng lƣu (Upstream Shell)” là khối đất có tí chịu nƣớc tốt. Hì dạng, nh nh độ dốc má của khối thƣợng lƣu còn xét đến điều kiện mực nƣớc thƣợng lƣu rút đột ngột. i “Ống khói thoát nƣớc (Chimney Drain)” là tầng lọc bố trí t mặt hạ lƣu của khối sá lõ (thẳng đứng hoặc nghiê i ng), nƣớc trong thân đập đƣợc thu và trong ống khói và đƣợc o ra thảm tiêu nƣớc. Lớp này cũng hoạt động nhƣ một lớp chuyển tiếp giữa khối lõ vàkhối i hạ lƣu. “Ống khó lọc (Chimney Filter)” là lớp lõ lọc chống xó ngầm dạng ống khó i i i i. Thông thƣờng, lớp nà cấu tạo bằng cá hạt cá y c t. “Lớp đá lát mái thƣợng lƣu (Riprap) và lớp ló (Bedding)” là lớp đá lát mái t thƣợng lƣu làm nhiệm vụ bảo vệ, chống xó mò do tác động của só hồ chứa. Lớp ló i n ng t bên dƣới lớp đá đổ bảo vệ chống sự di chuyển hạt của lớp đƣợc bảo vệ sau khi nƣớc hồ chứa rút. “Khối hạ lƣu (Downstream Shell)” là khối gia tăng ổn định đập, thƣờng bằng vật liệu thấm nƣớc trung bì dung trọng cao. nh, “Thảm tiêu nƣớc nền đập (Blanket Drain)” là kết cấu có nhiệm vụ giảm á suất p thủy tĩnh nền mó do thấm qua vàbảo vệ chống sự di chuyển hạt trong nền móng đất. ng
xiv Nó cũng tạo một lối thoát cho nƣớc thấm đƣợc thu gom bởi ống khói thoát nƣớc. “Rãnh thoát nƣớc châ đập (Drainage Ditch)” là rãnh đào ở châ má hạ lƣu đập n n i để thu gom nƣớc thấm. Hiệu quả nhất khi rã cắt qua hoà toà lớp nền thấm nƣớc. nh n n Cũng có thể đƣợc sử dụng để thu gom nƣớc từ giếng tiêu nƣớc. “Sâ phủ thƣợng lƣu (Impervious Blanket)” là kết cấu ké dài đƣờng viền thấm và n o làm tăng tổn thất cột á thấm khi đập nằm trê nền dễ thấm vàxé thấy việc làm tƣờng p n t hà cắt qua tầng thấm làkhô khả thi. Lớp phủ thƣợng lƣu đƣợc kết nối với bộ phận o ng chống thấm thân. “Tƣờng hà chống thấm (Cutoff Wall)” là tƣờng chắn nƣớc theo chiều dọc trục o đập, tƣờng bằng đất-xi măng-bentonite, hoặc ở dạng mà chống thấm bằng khoan phụt, n v.v… “Tầng lọc (filter)” là kết cấu đƣợc sử dụng để ngăn chặn sự dịch chuyển của hạt đất từ (hoặc giữa) các đới khác nhau trong thân đập vànền của đập. “Rã thoá (drainage)” là một kết cấu tập trung nƣớc để tiêu nƣớc ra khỏi phạm vi nh t đập. “Băng thu nƣớc” là băng đƣợc khí rã hì , chú cóhai hì dạng làdạng tấm a nh nh ng nh vàdạng ống, dùng để thay thế cho cá vật liệu lọc chuyền thống. Băng thu nƣớc có ƣu c điểm làlà việc theo nguyê lý mao dẫn do vậy sẽ tránh đƣợc lấp tắc do cá hạt bụi có m n c trong nƣớc khô bị cuốn theo dòng nƣớc đi vào rãnh. ng “Hệ thống nê cá là hệ thống kết cấu bao gồm các băng thu khía rãnh gắn trê ống m t” n PVC, đặt trong lớp cát thô để lọc theo nguyê lý mao dẫn nê giảm thiểu nguy cơ tắc n n nghẽn kết cấu lọc – gọi tắt là “Nêm cát”.
1 MỞ ĐẦU 1. TÍ CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU NH Đập đắp bằng vật liệu địa phƣơng đƣợc xâ dựng ở nƣớc ta chiếm đến 90%, nê y n dễ bị tổn thƣơng. Tình trạng thấm xảy ra rất phổ biến, dẫn đến mất nƣớc hồ chứa, khi thấm lớn việc xử lý khó khăn và gây tổn hại về kinh tế. Cá sự cố về thấm đƣợc thể hiện c muô hì muô vẻ, mất ổn định do thấm chiếm gần 45%. Đập đất vừa vànhỏ cóchiều n nh n cao đập nhỏ hơn 15 m, thuộc cô trì cấp III, IV (Quy chuẩn 04-05: 2012). Loại đập ng nh này đƣợc xâ dựng khásớm từ những năm 1960-1980 với kỹ thuật khảo sá hạn chế, y t thiếu cá tiê chuẩn, quy phạm thiết kế, thiết bị thi công không đáp ứng yê cầu kĩ c u u thuật, thiếu hoặc khô có quy trì vận hành và không đƣợc sửa chữa định kỳ, thiếu ng nh năng lực dự bá theo Bá cá dự án đầu tư sử dụng vốn ODA (vốn vay WB), 2015. Đối o, o o với cô trì cấp III, IV chỉ trong trƣờng hợp đặc biệt mới bố trí c thiết bị quan trắc ng nh cá nê khócóthể phá hiện sớm cá sự cố và thƣờng khi phá hiện ra đã quá muộn đặc biệt n t c t làsự cố về thấm. Đập đất khô thể chống thấm tuyệt đối, vấn đề làthấm khô gâ ra xó ngầm, ng ng y i mất nƣớc quámức vàlà mất ổn định của mái đập đất. Xó ngầm cơ học thƣờng xảy ra m i tại cá mặt tiếp xú chuyển đổi từ vật liệu có hạt mịn hơn vào lớp vật liệu có hạt thô c c, , hoặc ra ngoài không khí. Để ngăn chặn xó ngầm ngƣời ta sử dụng tầng lọc ngƣợc. i Theo TCVN 8422: 2010, lọc ngƣợc chí lànhững lớp vật liệu trung gian, nối tiếp nh đất hạt nhỏ cần bảo vệ với đất hạt to (bộ phận tiêu nƣớc). Chức năng chủ yếu của lọc ngƣợc là ngăn ngừa xó ngầm cơ học nguy hiểm trong đất hạt nhỏ cần bảo vệ. Trong i trƣờng hợp cábiệt, lọc ngƣợc có thể là nhiệm vụ gia tải chống hiện tƣợng đùn đất. m Lọc ngƣợc có thể lànhững kết cấu độc lập hoặc làbộ phận của cá kết cấu tiêu nƣớc c (nghiê theo má dốc, ống, lăng trụ đá, v.v…). Để là lọc ngƣợc, chỉ đƣợc dù vật ng i m ng liệu thiê nhiê gia cô hoặc đã đƣợc xử lý khô dí lấy từ các đá rắn vàchắc, n n ng , ng nh, khô chứa muối hòa tan trong nƣớc. Việc bố trí cấu lọc ngƣợc cho đập đắp mới do ng kết cá kỹ sƣ chủ động, bố trí c theo chức năng lọc và thoát nƣớc hay đơn giản chỉ nhƣ là một vật cấu tạo. Kết cấu lọc ngƣợc thô dụng trì bà trong cá tà liệu sá vở hiện nay có ng nh y c i ch
2 nhiều loại, chủ yếu á dụng phù hợp cho đập đắp mới. Sử dụng kết cấu lọc ngƣợc có p hì thức cấu tạo nhƣ cho đấp đắp mới và trong nâ cấp cải tạo cá hồ đập vừa và nh o ng c nhỏ đang tích nƣớc khó thực hiện vìcá lý do sau đây: (i) kỹ thuật tí toá tầng lọc c nh n phức tạp, cá kỹ sƣ thiết kế thƣờng lấy theo cấu tạo; (ii) vật liệu là tầng lọc khô có c m ng sẵn, hoặc không đạt đƣợc chỉ tiê về thà phần cấp phối hạt; (iii) việc đào chân mái để u nh lắp đặt vật thoát nƣớc cóthể gâ mất an toàn đập; (iv) thi cô rất khó đạt đƣợc nhƣ bản y ng vẽ thiết kế, nhiều trƣờng hợp phải hạ mực nƣớc hồ ảnh hƣởng đến tƣới. Kết cấu “Nêm cát thu lọc nƣớc thấm ở hạ lƣu đập đất” là một giải phá do tá giả p c cù nhó nghiê cứu tại Viện Thủy công đề xuất, đã đƣợc chấp nhận vàcô bố cấp ng m n ng Bằng độc quyền sá chế trong cô bá số CBA 351- thá 6/2017. Sá chế này đề ng ng o ng ng cập đến giải phá thu lọc nƣớc thấm ở châ má hạ lƣu đập đất, hạ thấp đƣờng bã hò p n i o a, nâ cao ổn định vàan toà của đập đất. Tuy nhiê sá chế chỉ mới dừng ở mức ý ng n n, ng tƣởng mà chƣa chứng minh đƣợc hiệu quả, cá bố trí tí toá thiết kế, minh chứng ch , nh n trong thực tế. Vìvậy, việc nghiê cứu kết cấu nê cá thu lọc nƣớc thấm thân đập làcần thiết n m t đối với các đập nâ cấp, sửa chữa khi hồ chứa đang vận hà Hiệu quả của giải phá ng nh. p nê cá thể hiện qua cá yếu tố nhƣ: kích thƣớc, khoảng cá hợp lýgiữa cá nê mức m t c ch c m, độ hạ thấp đƣờng bão hòa, thi công an toàn khi đập đang tích nƣớc, chất lƣợng lọc ổn định lâu dài, v.v… đã đƣợc nghiê cứu sinh chứng minh trong luận á n n. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Đề xuất kết cấu nê cá thu-lọc-thoát nƣớc thấm ở hạ lƣu đập đất vừa vànhỏ thay m t thế cho kết cấu lọc ngƣợc cát-đá-sỏi truyền thống. Kiến nghị phƣơng án bố trínê cá m t để vừa đảm bảo hiệu quả thu-lọc-thoát nƣớc thấm, vừa bảo đảm an toà thi cô khi hồ n ng đang tích nƣớc. 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tƣợng nghiê cứu: n Đập đất đồng chất vừa vànhỏ (theo định nghĩa trong Nghị định 114/2018/NĐ- CP ngà 14/9/2018 của Chí phủ về Quản lý an toàn đập, hồ chứa nƣớc) đang tích y nh nƣớc vàbị thấm quámức, cần phải xử lý để bảo đảm an toàn đập kể cả trong quá
3 trì thi cô nh ng. Phạm vi nghiê cứu: n - Nghiê cứu điểm ra của đƣờng bà hò khi lắp đặt nê cá n o a m t; - Hệ số ổn định trong quátrì thi cô (hệ số an toàn trƣợt tổng thể vàcục bộ; nh ng gradient thấm lớn nhất xuất hiện khi thi công); - Chất lƣợng thu lọc nƣớc đánh giá qua việc phâ tí mẫu nƣớc trê mô hì n ch n nh 1:1. 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận án đã sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu sau đây: - Nghiê cứu tà liệu: Cá nghiê cứu, tà liệu sá vở, tiê chuẩn kỹ thuật, v.v... về n i c n i ch u thấm ảnh hƣởng đến an toà ổn định đập đất, kết cấu lọc ngƣợc, vật liệu lọc, v.v... n - Phƣơng pháp kế thừa: Tiêu chí đánh giá an toàn đập của Phạm Ngọc Quý kết quả , nghiê cứu á dụng băng khía rãnh để lọc nƣớc của Nguyễn Quốc Dũng, v.v… n p - Phƣơng pháp mô hình toán: Sử dụng cá phần mềm thƣơng mại (cụ thể làphần c mềm địa kỹ thuật Midas GST cóbản quyền) để tính toán để xác định các đƣờng bã hò o a thấm (2D và3D), hệ số an toà tổng thể vàcục bộ cho đập hiện trạng, tí khả năng xói n nh ngầm trong quátrì thi cô vàsau khi hệ thống nê cá thu lọc nƣớc đã đƣợc lắp đặt. nh ng m t - Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm: Lắp đặt 3 nê cá vàhệ thống quan trắc m t cao độ đƣờng bã hò (4 giếng đo mực nƣớc), đo lƣu lƣợng thấm bằng đồng hồ kết hợp o a ống khắc vạch, đo chất lƣợng lọc (thông qua độ đục của nƣớc - chỉ số NTU), v.v… tại đập đất hồ Đồng Bể (tỉnh Thanh Hóa). Đo đạc quan trắc số liệu trong 2 năm (2016 và 2017). 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN Ý nghĩa khoa học: Đề xuất và áp dụng thử nghiệm đƣợc hệ thống nêm cát thu lọc và thoát nƣớc thấm phía hạ lƣu đập đất vừa và nhỏ. Làm rõ đƣợc hiệu quả hạ thấp đƣờng bão hòa, tăng ổn định và hạn chế xói ngầm phía hạ lƣu đập đất. Hệ thống nêm cát có kết cấu đơn giản, hiệu quả trong sửa chữa khắc phục sự cố thấm khi thiết bị thoát nƣớc truyền thống bị hƣ hỏng.
4 Ý nghĩa thực tiễn: Bổ sung thê một giải pháp đơn giản vàhiệu quả để thu lọc và m thoát nƣớc thấm phí hạ lƣu, tăng tính an toàn cho đập đất vừa vànhỏ. a 6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Đề xuất vàthiết lập cơ sở lýluận kết cấu nê cá thu lọc nƣớc thấm ở má hạ lƣu m t i đập đất vừa vànhỏ. - Bằng thínghiệm hiện trƣờng và nghiê cứu trên mô hình toán đề xuất đƣợc n phƣơng án bố tríhệ thống nêm cát để xử lý thấm cho đập vừa vànhỏ đang tích nƣớc. 7. NỘI DUNG VÀ CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Luận án có 3 Chƣơng, ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, danh mục tà liệu i tham khảo. Nội dung vàcấu trú Luận á cóthể tó tắt nhƣ sau: c n m CHƢƠNG 1: Tổng quan về thấm vàkiểm soá thấm ở đập đất t Thấm làmột nguyê nhâ chí gâ ra sự cố, hƣ hỏng đập đất. Vì n n nh y vậy, khi thiết kế đập đất cần phải cả kết cấu chống thấm và kiểm soá thấm. Hiện nay trong thiết kết t nâ cấp cải tạo đập vừa vànhỏ cóvấn đề về thấm, tƣ vấn thƣờng ƣu tiên quan tâm đến ng kết cấu chống thấm màcoi nhẹ việc thiết kế kết cấu kiểm soá thấm (lọc và thoát nƣớc). t Tầng lọc bằng cát-đá-sỏi truyền thống á dụng trong đập đất đƣợc nghiê cứu từ p n những năm 50 của thế kỷ trƣớc và đã đƣợc xâ dựng thà tiê chuẩn. Kết cấu thu lọc y nh u và thoát nƣớc thấm trong đập đất (màbản chất làtầng lọc) trì bà trong tiê chuẩn và nh y u cá tà liệu hiện cóá dụng phùhợp cho đập đắp mới. Với các đập vừa vànhỏ cần xử lý c i p thấm cần phải cókết cấu phùhợp, hiệu quả về thu-lọc-thoát nƣớc cao, đơn giản, dễ thi công và đặc biệt là đảm bảo an toà thi cô khi hồ đang tích nƣớc. n ng Sá chế nê cá thu lọc nƣớc thấm do tá giả cù nhó nghiê cứu đề xuất ng m t c ng m n cung cấp một giải phá mới để thu lọc nƣớc thấm sau đập đất, sử dụng vật liệu mới là p băng thu khía rãnh theo nguyên lý mao dẫn. Nhờ đó đã làm đơn giản cá tí toá thi ch nh n, cô nhanh cóthể á dụng cho đập vừa vànhỏ đang tích nƣớc. Tuy nhiên để cóthế á ng p p dụng rộng rã cần tiếp tục nghiê cứu là rõhiệu quả lýthuyết vàthực tế. i n m CHƢƠNG 2: Nghiê cứu cơ sở lýluận về nê cá n m t Nê cá thu-lọc-thoát nƣớc thấm phải đạt đƣợc mục tiê hạ thấp đƣờng bã hò m t u o a,