“Nghiên cứu kích thước hợp lý của chân răng cắt qua tầng thấm mạnh ở nền đập đất

LỜI CẢM ƠN
Luận văn “Nghiên cứu kích thước hợp lý của chân răng cắt qua tầng
thấm mạnh ở nền đập đất” được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy Lợi.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Chiến đã tận
tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn các
giảng viên Khoa Công trình – Trường Đại học Thủy Lợi, các đồng nghiệp
trong và ngoài ngành đã cung cấp các tài liệu phục vụ cho luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Nhà xuất bản, các tổ chức, cá nhân
cho phép sử dụng tài liệu đã công bố.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình
đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn
thành luận văn này.
Trong nội dung của luận văn không thể tránh khỏi những thiết sót. Tác
giả rất mong nhận được những nhận xét và đóng góp của các nhà chuyên
môn.
Hà Nội, ngày tháng năm 2014
Tác giả



Phạm Minh Tiến





LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Phạm Minh Tiến. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên
cứu của riêng tôi. Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung

thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào.
Tác giả



Phạm Minh Tiến






MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU THẤM QUA ĐẬP ĐẤT VÀ NỀN 4
1.1. Tình hình xây dựng đập đất trên thế giới và ở Việt Nam 4
1.2. Các giải pháp chống thấm cho đập và nền 8
1.2.1. Đối với kết cấu đập đồng chất 8
1.2.2. Đối với đập không đồng chất: 8
1.2.3. Đập có tường lõi mềm: 9
1.2.4. Đập có tường nghiêng mềm 10
1.2.5. Đập đất đồng chất có chân răng 11
1.2.6. Đập đất có tường nghiêng và sân phủ phía trước mềm 11
1.2.7. Đập đất có tường nghiêng và chân răng mềm: 13
1.2.8. Đập có màng chống thấm ở nền bằng khoan phụt vữa xi măng – bentonie: 13
1.2.9. Đập có tường chống thấm cứng: 14
1.3. Tình hình nghiên cứu về thấm ở đập đất và nền 15
1.4. Các trường hợp mất an toàn về thấm ở đập và nền 17
1.4.1. Hình thành các hang thấm, ống thấm trong thân đập và nền: trường hợp sự cố
ở đập Suối Hành[5] 17
1.4.2. Thấm mạnh ở phần tiếp giáp với công trình bê tông (tràn, cống lấy nước):

trường hợp sự cố tại đập Suối Trầu. 19
1.4.3. Thấm dị hướng, đường bão hào dâng cao hơn so với tính toán: 20
1.4.4. Thấm mạnh qua nền: 21
1.5. Giới hạn phạm vi nghiên cứu 21
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN THẤM QUA ĐẬP ĐẤT CÓ
TƯỜNG RĂNG CẮT QUA TẦNG THẤM MẠNH 22
2.1. Tổng quát 22
2.1.1. Các điều kiện và sơ đồ bố trí đập đồng chất có tường tường răng 22
2.1.2. Các yêu cầu tính toán thấm cho bài toán đập có tường tường răng 23
2.1.3. Các phương pháp giải bài toán thấm qua đập có tường tường răng 23




2.2. Phương pháp biến đổi tương đương [9](của Nguyễn Xuân Trường) 23
2.2.2. Xác định bề rộng tường tường răng 24
2.2.3. Tính lưu lượng thấm: 26
2.2.4. Xác định đường bão hòa 27
2.3. Tính toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn 30
2.3.1. Cơ sở của phương pháp [3] 30
2.3.2. Lựa chọn phần mềm tính toán 39
2.4. Kết luận Chương 2 40
CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA TƯỜNG RĂNG CẮT
QUA TẦNG THẤM MẠNH Ở NỀN ĐẬP ĐẤT 42
3.1. Giới hạn các đại lượng nghiên cứu 42
3.2. Tính thấm cho trường hợp điển hình 42
3.2.1. Mô hình tính toán. 42
3.2.2. Phân tích lựa chọn phương pháp tính toán 43
3.3. Xác định bề rộng hợp lý của tường răng khi các số liệu đầu vào thay đổi 43
3.3.1. Trình tự tính toán xác định bề rộng hợp lý của tường răng. 43

3.3.2. Các kết quả tính toán. 44
3.3.3. Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố đến chiều rộng yêu cầu của tường răng:67
3.4. Kết luận chương 3: 68
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO ĐẬP THƯỢNG TRÍ 70
4.1. Giới thiệu công trình. 70
4.2. Các kích thước cơ bản của đập: 70
4.3. Xác định các thông số của tường răng 71
4.3.1. Xác định vị trí hợp lý của tường răng: 71
4.3.2. Xác định bề rộng tường răng 71
4.4. Tính toán thấm với bề rộng tường răng đã chọn. 72
4.4.1. Tính theo phương pháp thuỷ lực: 72




4.4.2. Tính theo phương pháp số: 74
4.4.3. Nhận xét kết quả tính toán: 75
4.5. Những vấn đề cần chú ý trong thi công tường răng: 75
4.6. Kết luận chương 4 76






DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các đập đất có chiều cao lớn trên thế giới 4
Bảng 1.2: Một số đập đất lớn tại Việt Nam 6
Bảng 3.1: Trị số  ứng với loại đất và cấp công trình[10] 43
Bảng 3.2: Bảng tính ứng với trường hợp T=4,5m; k

d
= 5.10
-5
(cm/s) 44
Bảng 3.3: Bảng tính ứng với trường hợp T=4,5m; k
d
= 1.10
-4
(cm/s) 45
Bảng 3.4: Bảng tính ứng với trường hợp T=4,5m; k
d
= 1.10
-5
(cm/s) 46
Bảng 3.5: Kết quả tính thủy lực khi chiều cao đập thay đổi. 48
Bảng 3.6: Kết quả tính toán
xác định chiều rộng đáy tường răng
= . 30T 48
Bảng 3.7: Trường hợp 1: k
d
= 5.10
-5
(cm/s); knkd = 100 49
Bảng 3.8: Trường hợp 2: k
d
= 5.10
-5
(cm/s); knkd = 80: 50
Bảng 3.9: Trường hợp 3: k
d

= 5.10
-5
(cm/s); knkd = 60: 51
Bảng 3.10: Trường hợp 4: k
d
= 5.10
-5
(cm/s); knkd = 40: 52
Bảng 3.11: Trường hợp 5: k
d
= 5.10
-5
(cm/s); knkd = 30: 53
Bảng 3.12: Trường hợp 6: k
d
= 5.10
-5
(cm/s); knkd = 20: 54
Bảng 3.13: Trường hợp 7: T = 3,5m; k
d
= 5.10
-5
(cm/s); = 18; 17: 55
Bảng 3.14: Trường hợp 8: T=3,5; 4,5(m); k
d
= 5.10
-5
(cm/s); knkd = 16: 56
Bảng 3.15: Trường hợp 9: k
d

= 5.10
-5
(cm/s); knkd = 15: 57
Bảng 3.16: Trường hợp 10: k
d
= 5.10
-5
(cm/s); knkd = 14: 58
Bảng 3.17: Trường hợp 11: k
d
= 5.10
-5
(cm/s); knkd = 13: 59
Bảng 3.18: Trường hợp 12: k
d
= 5.10
-5
(cm/s); knkd = 12: 60
Bảng 3.19: Trường hợp 13: k
d
= 5.10
-5
(cm/s); knkd = 11: 61
Bảng 3.20: Trường hợp 14: k
d
= 5.10
-5
(cm/s); knkd = 10: 62
Bảng 3.21: Trường hợp 15: k
d

= 5.10
-5
(cm/s); knkd = 9: 63
Bảng 3.22: Trường hợp 16: k
d
= 5.10
-5
(cm/s); knkd = 8: 64
Bảng 3.23: Trường hợp 17: k
d
= 5.10
-5
(cm/s); knkd = 7: 65
Bảng 4.1: Bảng tính giá trị chiều rộng đáy tường răng 71
Bảng 4.2: Bảng tính lưu lượng thấm đập Thượng Trí theo phương pháp thuỷ lực 72






DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Đập đất đồng chất 8
Hình 1.2: Sơ đồ bố trí đất đắp trong thân đập 8
Hình 1.3: Đập có tường lõi mềm 9
Hình 1.4: Đập có tường nghiêng mềm (đất sét) 10
Hình 1.5: Đập đất đồng chất có chân răng 11
Hình 1.6: Đập đất có tường nghiêng sân phủ mềm 12
Hình 1.7: Đập đất có tường nghiêng chân răng mềm. 13
Hình 1.8:

Đập đất có màng chống thấm bằng khoan phụt vữa xi măng - bentonite
13
Hình 1.9: Đập có tường chống thấm bằng cừ thép 14
Hình 1.10: Đập có tường lõi kết hợp cừ (thép hoặc bê tông) 15
Hình 1.11: Đập có tường nghiêng kết hợp cừ chống thấm 15
Hình 2.1: Sơ đồ tính toán đập đồng chất xây trên nền thấm nước mạnh 24
Hình 2.2: Biểu đồ xác định trị số 30T 25
Hình 2.3: Sơ đồ xác định vị trí đường bão hòa 28
Hình 2.4: Đồ thị xác định vị trí điểm B[9] 29
Hình 2.5: Sơ đồ điều kiện biên tính toán thấm qua đập đất. 32
Hình 2.6: Phần tử tam giác phẳng. 33
Hình 3.1: Sơ đồ tính điển hình 42
Hình 3.2: Sơ đồ tính trường hợp H
đ
= 25m. 47
Hình 3.3: Sơ đồ tính trường hợp H
đ
= 20m. 47
Hình 3.4: Sơ đồ tính trường hợp H
đ
= 18m. 48
Hình 3.5: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  khi H
đ
thay đổi 49
Hình 3.6: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 1 50
Hình 3.7: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 2 51
Hình 3.8: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 3 52
Hình 3.9: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 4 53
Hình 3.10: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 5 54

Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 6 55
Hình 3.12: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 7 56
Hình 3.13:
Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và

trường hợp 8
57
Hình 3.14: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 9 58
Hình 3.15: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 10 59
Hình 3.16:
Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và

trường hợp 11
60
Hình 3.17: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 12 61
Hình 3.18: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 13 62
Hình 3.19: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 14 63
Hình 3.20: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 15 64




Hình 3.21: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 16 65
Hình 3.22: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 17 66
Hình 3.23: Biểu đồ quan hệ  = , 30T 67
Hình 4.1: Mặt cắt cơ bản đập Thượng Trí 70
Hình 4.2: Đường bão hoà đập Thượng Trí 74
Hình 4.3: Mô hình hóa đập Thượng Trí 74
Hình 4.4: Kết quả tính Gradient 75

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Qua quá trình thi công, vận hành sử dụng các công trình dâng nước thì
các ưu điểm của đập đất như: tận dụng được các loại đất hiện có ở vùng xây
dựng, có cấu tạo đơn giản, vững chắc, có khả năng thi công cơ giới hóa cao,
do đó đập đất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các nước trên thế giới.
Đối với nước ta, đập đất là công trình dâng nước phổ biến nhất khi xây
dựng hồ chứa. Do đặc điểm về địa hình, địa chất, vật liệu xây dựng, phương
tiện thi công… của nước ta, trong tương lai đập đất còn có triển vọng phát
triển hơn nữa.
Tuy nhiên đập đất cũng chứa đựng nhiều rủi ro, dễ xảy ra sự cố mất an
toàn cho đập nếu công tác thiết kế và thi công không đảm bảo các yêu cầu kỹ
thuật trong xử lý nền móng, chọn kết cấu đập, hay đầm nén không đảm bảo
độ chặt và độ đồng đều của từng lớp đất đắp. Do đập đất là công trình dâng
nước và làm bằng vật liệu xốp lại chịu tác dụng của cột nước, khi có chênh
lệch cột nước sẽ hình thành dòng thấm xuyên qua thân đập và nền, nếu không
kiểm soát được dòng thấm có thể gây ra hư hỏng, mất nước và ảnh hưởng tới
ổn định chung của toàn bộ hệ thống. Vì vậy trong thiết kế và xây dựng đập
đất vấn đề nghiên cứu, đánh giá những đặc trưng cơ bản của dòng thấm là
một khâu quan trọng và không thể thiếu được.
Luận văn đề cập vấn đề thấm qua đập đất xây trên nền thấm mạnh và
biện pháp phòng chống thấm bằng tường răng có hệ số thấm bằng hệ số thấm
đất đắp đập. Đây là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao vì nó liên quan
trực tiếp tới tính kinh tế và hiệu quả của toàn bộ hệ thống, đồng thời đây cũng
là vấn đề cấp thiết trong ngành thủy lợi hiện nay.

2

2. Mục đích đề tài
Đề tài nghiên cứu các trường hợp tính toán phòng chống thấm cho đập
đồng chất, có biện pháp phòng thấm bằng tường răng được đắp bằng chính
vật liệu thân đập. Căn cứ vào chiều cao đập, chiều dày tầng thấm, hệ số thấm
của vật liệu đắp đập để xác định vị trí, kích thước của chân răng sao cho hợp
lý nhất về phương diện phòng thấm. Đồng thời đánh giá được ảnh hưởng
chiều sâu tầng thấm, hệ số thấm đến kết cấu tường răng, đảm bảo an toàn
chống thấm.
3. Phương án nghiên cứu của đề tài:
−
Thu thập, nghiên cứu các phương pháp tính thấm qua đập đất có
chân răng cắt qua tầng thấm mạnh đã có, chọn phương pháp tính toán hợp lý;
−
Mô hình hoá, tính toán xác định chiều rộng của chân răng hợp lý khi
số liệu đầu vào thay đổi;
−
Ứng dụng phương pháp tính toán đã chọn, tiến hành tính toán kích
thước hợp lý của chân khay ở đập Thượng Trí.
4. Kết quả đạt được:
Nghiên cứu bài toán phòng thấm qua đập đất, xây trên nền thấm mạnh
có tường răng với hệ số thấm bằng hệ số thấm đất đắp đập. Kết quả tính toán
theo phương pháp thuỷ lực ( Nguyễn Xuân Trường) và phương pháp phần tử
hữu hạn (phần mềm Seep/w) cho thấy có sự khác nhau về chiều rộng hợp lý
của đáy tường răng khi chiều dày tầng thấm T và tỷ số





thay đổi. Kiến nghị
lấy theo kết quả của phương pháp phần tử hữu hạn với độ chính xác cao hơn,
từ đó đưa ra hệ số hiệu chỉnh  khi xác định bề rộng đáy tường răng theo
phương pháp thuỷ lực (
Hình 3.23:).
Ứng dụng cho đập Thượng Trí, đã xác định được vị trí, chiều rộng đáy
hợp lý của tường răng. Ngoài ra cũng xác nhận các kết quả tính toán lưu


3

lượng thấm và đường bão hoà không sai khác nhiều giữa phương pháp phần
tử hữu hạn và phương pháp thuỷ lực.


4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU THẤM QUA ĐẬP ĐẤT
VÀ NỀN
1.1. 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.[12] [9].
Bảng 1.1: Các đập đất có chiều cao lớn trên thế giới
Stt Tên Đập Nước
Chiều cao
(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

13
Syncrude Tailings Dam Mildred
Mildred Lake Settling Basin (MLSB)
Canada 88
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
18
Syncrude Tailings Dam Mildred
South West Sand Storage (SWSS)
Canada 40
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.[13]
Bảng 1.2: Một số đập đất lớn tại Việt Nam
Stt Tên đập
Chiều cao

(m)
Năm hoàn thành
1 Tả Trạch 55 Đang thi công
2 Cấm Sơn 40 1972
3
Đập phụ Dốc Cáy hồ Cửa
Đạt
40 2009
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.


8

1.2. Các giải pháp chống thấm cho đập và nền
Đối với kết cấu đập đồng chất 1.2.1.

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: 1.2.2.
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.

Hình 1.2: Sơ đồ bố trí đất đắp trong thân đập
I: Vùng thường xuyên bão hòa
MNDBT
MNC
A
B
C
MNDBT
MNC
I
II
III
MNDBT
MNC


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: 1.2.3.
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.

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 (W
n
) phải đảm bảo yêu cầu W
n
>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.
MNDBT
MNC


10

Theo cấu tạo bề dày tường lõi đắp bằng đất sét không nhỏ quá 0,8m, độ
dày chân tường lõi không nhỏ hơn



cột nước, người ta dựa vào chỉ số
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. δ≥ 0,5
– 1,25m. Đỉnh tường lõi cao hơn mực nước dâng bình thường Δ = 0,3 – 0,6m.
Đập có tường nghiêng mềm 1.2.4.
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.

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
hơn


H (H: cột nước tác dụng) nhưng không nhỏ hơn 2-3m. Độ vượt cao của
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.
MNDBT
MNC


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 1.2.5.

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 1.2.6.
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
MNDBT
MNC


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



= 2.








(1-2)

Trong đó: k, k
nền
: hệ số thấm của vật liệu làm sân trước và nền.
t
tb
: chiều dày trung bình của sân trước.
T: bề dày tầng thấm nước trong nền.

Hình 1.6: Đập đất có tường nghiêng sân phủ mềm
Bề dày sân trước t được xác định theo công thức:



[

]

(1-3)

: chênh lệch cột nước giữa mặt trên và mặt dưới sân trước tại điểm
tính toán
[J]: Gradient thấm cho phép đối với vật liệu làm sân trước, đối với đất
sét [J]= 4÷6.
Bề dày sân trước còn phụ thuộc điều kiện thi công đối với đất sét bề
dày nhỏ nhất đầu sân 

 0,5÷1,0m cuối sân chỗ tiếp giáp với tường
nghiêng 

1,0m
MNDBT
MNC


13

Đập đất có tường nghiêng và chân răng mềm: 1.2.7.
Trường hợp tường nghiêng trên nền có lớp đất thấm mạnh và tầng
không thấm nằm không sâu, người ta xây dựng một chân răng cắt qua nền
cắm sâu vào tầng không thấm.

Hình 1.7: Đập đất có tường nghiêng chân răng mềm.
Độ cắm sâu của chân răng vào tầng không thấm > 0,5÷1,25m.
Đập có màng chống thấm ở nền bằng khoan phụt vữa xi măng – 1.2.8.
bentonie:
Trường hợp đất nền là lớp bồi tích dày hơn 10m, phía dưới là đá phong
hóa nứt nẻ mạnh, hoặc trong lớp bồi tích có lẫn đá lăn, đá tảng lớn không thể
đóng cừ chống thấm được thì biện pháp xử lý tốt nhất là khoan phụt vữa.
Khoan phụt vữa dung dịch vữa xi măng sét có các phụ gia cần thiết tạo màng
chống thấm trong thân đập và nền đập. Kết cấu này thi công thuận lợi có hiệu
quả trước mắt, nhưng độ bền và tuổi thọ không cao.

Hình 1.8:

Đập đất có màng chống thấm bằng khoan phụt vữa xi măng - bentonite
MNDBT
MNC
MNDBT
MNC
tÊm ph¶n ¸p BTCT
Mµng chèng thÊm b»ng
v÷a xi m¨ng - bentonite


14

Đập có tường chống thấm cứng: 1.2.9.
Ở những vị trí đắp đập không có vật liệu chống thấm bằng đất sét, phải
chuyên chở xa quá đắt, cần thiết phải xem xét giải pháp tường chống thấm
cứng như: gỗ, đá xây, bê tông, cừ bê tông cốt thép, cừ thép, …

Loại đập đất có tường nghiêng chống thấm cứng (như bê tông, BTCT)
ít được dùng vì: cấu tạo phức tạp, dễ sinh nứt nẻ khi nhiệt độ thay đổi hoặc
thân đập lún, giá thành cao.
− Tường cừ chống thấm bằng bê tông cốt thép phải đảm bảo: bề dày ở
đỉnh tường không nhỏ hơn 0,3 ÷0,5m, chiều dày đáy tường bằng
khoảng



÷




Để hạn chế nứt gẫy tường lõi BTCT, cần bố trí những khe lún thẳng
đứng cách nhau 15÷25m và gia cố thêm một lớp đất sét chống thấm ở mặt
trước của tường lõi.
− Tường chống thấm bằng cừ thép:
Trường hợp chỉ cần chống thấm cho đập đất trong phạm vi lớp bồi tích,
trong đó không có đá lăn, đá tảng chiều dày lớp bồi tích T<12m ( là chiều dày
cừ thép có thể đạt được) giải pháp đơn giản nhất là dùng cừ thép đóng trực
tiếp thay cho chân khay.

Hình 1.9: Đập có tường chống thấm bằng cừ thép
MNDBT
MNC


15

Trường hợp lớp bồi tích dày hơn 12m, cừ thép được đóng theo sơ đồ:
Tường nghiêng, tường lõi kết hợp cừ chống thấm.

Hình 1.10: Đập có tường lõi kết hợp cừ (thép hoặc bê tông)

Hình 1.11: Đập có tường nghiêng kết hợp cừ chống thấm
1.3. Tình hình nghiên cứu về thấm ở đập đất và nền
Lý thuyết về sự chuyển động của chất lỏng (nước, dầu lửa, hơi, …)
trong đất, trong đá nứt nẻ hoặc trong môi trường xốp nói chung gọi là lý
thuyết thấm. Thấm có ý nghĩa rất lớn trong việc xây dựng và khai thác những
công trình thủy lợi nói chung và riêng đối với đập đất thấm lại càng có ý
nghĩa đặc biệt. Sự xuất hiện dòng thấm qua đập đất gây nên những tác hại
nhiều lúc rất lớn về mặt tổn thất lưu lượng cũng như về tính bền vững của
công trình. Do đó, trong thiết kế và xây dựng đập đất vấn đề nghiên cứu, đánh
giá những đặc trưng cơ bản của dòng thấm là rất quan trọng.
MNDBT
MNC
MNDBT
MNC


16

Những hiểu biết đầu tiên về sự vận động của nước dưới đất phát sinh
vào thế kỷ 18 và liên quan đến tên tuổi của các nhà khoa học như
M.V.Lomonoxov, Daniel Bernoulli, Euler. Trong tác phẩm nổi tiếng “về các
lớp của vỏ trái đất” – 1750 Lomonoxov đã viết: “Nước dưới đất liên hệ chặt
chẽ với đất đá vây quanh. Nước dưới đất là dung dịch tự nhiên ở trạng thái
tuần hoàn liên tục”. Chính ông đã đặt cơ sở đầu tiên để phát triển khoa học về
sự vân động của nước dưới đất.

Trên cơ sở thực nghiệm, năm 1856 nhà bác học Pháp H.Darcy đã tìm ra
quy luật chuyển động của nước trong đất cát. Định luật Darcy được gọi là
định luật cơ bản của dòng thấm và biểu thị dưới dạng:

V = kJ

(1-4)

Trong đó: v: lưu tốc thấm trung bình (cm/s)
k: hệ số thấm của đất (cm/s)
J: Gradient thấm.
Sau Darcy, nhiều nhà khoa học khác như J.Dupuy, F.Senlem,
N.E.Jucovxky, N.Pavlovxky … nghiên cứu về quy luật dòng thấm và đều
khẳng định rằng định luật Darcy là chính xác và có cơ sở lý luận đối với môi
trường có lỗ rỗng nhỏ, hạt bé. Thật vậy, lưu tốc thấm trong môi trường hạt bé
thường rất nhỏ, thậm chí trong các hạt lớn lưu tốc thấm cũng chỉ vài
milimet/giây, cho nên trong trường hợp này chuyển động của chất lỏng là
chảy tầng và tổn thất cột nước trong dòng thấm tỷ lệ bậc nhất với vận tốc
thấm.
Đối với môi trường hạt lớn, lỗ rỗng lớn, định luật Darcy đã có những
sai lệch đáng kể và không còn thích hợp nữa. Trong trường hợp này lưu tốc
thấm khá lớn và sự chuyển động của chất lỏng là chảy rối. Như vậy thấm


17

trong môi trường hạt lớn là thấm phi tuyến. Trong luận văn này chỉ xem xét
bài toán thấm chảy tầng, tức tuân theo Định luật Darcy (1-4)
Các phương pháp tính thấm:
• Phương pháp giải tích:

− Phương pháp cơ học chất lỏng;
− Phương pháp cơ học chất lỏng gần đúng (phương pháp thuỷ lực)
• Phương pháp thực nghiệm:
− Phương pháp thí nghiệm máng kính
− Phương pháp thí nghiệm trên mô hình khe hẹp Hele – Shaw;
− Phương pháp thí nghiệm tương tự điện thủy động.
• Phương pháp vẽ lưới thấm: bằng cách vẽ lưới thấm còn gọi là lưới thủy
động lực học, sẽ tính được tất cả các thông số của bài toán thấm có áp ổn
định.
• Phương pháp mô hình số: đây là phương pháp giải gần đúng phương
trình vi phân:
− Phương pháp sai phân;
− Phương pháp phần tử hữu hạn.
1.4. Các trường hợp mất an toàn về thấm ở đập và nền
Hình thành các hang thấm, ống thấm trong thân đập và nền: trường 1.4.1.
hợp sự cố ở đập Suối Hành[5]
1.4.1.1. Địa điểm:
Hồ chứa nước Suối Hành tại xã Cam Phước Đông, huyện Cam Ranh,
tỉnh Khánh Hòa.