LUẬN án TIẾN sĩ nghiên cứu hiệu quả hệ thống nêm cát thu lọc nước thấm trong nâng cấp sửa 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

Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình thủy
Mãsố

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 riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trình bày trong luận án làtrung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kýcông trình
nào khác.
Tôi xin cam đoan luận án đƣợc tiến hành nghiê cứu một cách nghiêm túc vàkết
quả nghiê cứu của cá nhànghiên cứu đi trƣớc đã đƣợc tiếp thu một cách chân thực, cẩn
trọng, cótrích nguồn dẫn cụ thể trong luận án.
HàNội, ngày

tháng

năm 2019

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

PHẠM ĐÌNH VĂN


ii
LỜI CẢM ƠN

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy với đề tài
“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 nhân đã giúp đỡ tôi trong
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 công ty TNHH MTV
khai thác công trình Thuỷ lợi sông Chu đã cho phép đặt môhình thínghiệm tại Hồ chứa
nƣớc Đồng Bể thuộc huyện Triệu Sơn, tỉnh Thanh Hóa, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành
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 HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ……………………………………………….. vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU…………………………………… x
GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ………………………………………………………… xiii
MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………… 1
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THẤM VÀ KIỂM SOÁT THẤM Ở ĐẬP ĐẤT….. 7

1.1 Thấm lànguyê nhâ chính gây mất an toàn đập.........................................................7
1.2 Xử lýthấm cho đập đất khi hồ đang tích nƣớc.........................................................9
1.2.1 Mục tiêu của xử lýthấm....................................................................................9
1.2.2 Cấu tạo đập đất với cá kết cấu chống thấm vàkiểm soát thấm..........................9
1.2.3 Các giải pháp tăng tính chống thấm cho thân đập khi hồ đang tích nƣớc.......10
1.2.4 Kiểm soát thấm cho đập khi hồ đang tích nƣớc............................................. 12
1.3 Tồn tại trong thiết kế kết cấu thu lọc và thoát nƣớc thấm hạ lƣu đập đất..............14
1.3.1 Vídụ ở nƣớc ngoài.......................................................................................... 15
1.3.2 Vídụ ở Việt Nam............................................................................................. 15
1.4 Cơ chế vỡ đập do thấm vàxói ngầm....................................................................... 18
1.4.1 Sự hình thành vàphát triển của xói ngầm ở đập đất........................................18
1.4.2 Xử lý đƣờng bão hòa trong thân đập dâng cao trên mái hạ lƣu.....................19
1.4.3 Xử lýhiện tƣợng xói ngầm vàlấp tắc trong tầng lọc....................................... 20
1.5 Tiêu chuẩn hƣớng dẫn thiết kế tầng lọc................................................................. 23
1.5.1 Bộ phận thu lọc vàthoát nƣớc trong thân đập ở hạ lƣu.................................. 23
1.5.2 Yêu cầu đối với bộ phận thu lọc và thoát nƣớc thấm thân đập.......................23
1.5.3 Thành phần của hạt lọc ngƣợc........................................................................ 24
1.5.4 Nhiệm vụ thiết kế tầng lọc ngƣợc.................................................................. 24


iv

1.5.5 Các trƣờng hợp tính toán khi thiết kế thành phần hạt của lọc ngƣợc.............24
1.5.6 Yêu cầu chung đối với kết cấu lọc ngƣợc trong công trình thủy công............24
1.6 Giới thiệu sáng chế “nêm cát để thu lọc nƣớc thấm hạ lƣu đập đất”.....................26
1.6.1 Môtả sáng chế................................................................................................. 26
1.6.2 Cơ chế lọc loại bỏ hạt bụi bằng băng khía rãnh đặt trong nêm cát..................28
1.6.3 Khả năng thu và lọc nƣớc của nêm cát........................................................... 30
1.6.4 Chất lƣợng lọc sau khi qua nêm cát............................................................... 31
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 nghiên cứu....................................................................................... 33
2.2.1 Các phƣơng pháp nghiên cứu trong phân tích thấm đập đất...........................33
2.2.2 Ứng dụng phƣơng pháp mô hình số để phân tích thấm đập đất cónêm cát....35
2.3 Lựa chọn phần mềm để tính thấm vàkiểm tra an toàn về thấm..............................37
2.3.1 Giới thiệu phần mềm Seep/W......................................................................... 37
2.3.2 Giới thiệu phần mềm Midas GTS................................................................... 38
2.4 Phân tích thấm đập đất bằng phần mềm Midas...................................................... 44
2.4.1 Xác định vùng an toàn vàvùng cónguy cơ mất an toàn về thấm.....................44
2.4.2 Xét ổn định khi thi công đào rãnh lắp đặt nêm cát.......................................... 48
2.4.3 Ảnh hƣởng của khoảng cách nêm cát đến hiệu quả hạ thấp đƣờng bão hòa. .52
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 công trình....................................................................................... 58

3.2.2 Môtả hiện trạng thấm...................................................................................... 60
3.3 Thínghiệm hiện trƣờng xác định hiệu quả của nêm cát......................................... 63
3.3.1 Sơ đồ bố tríthínghiệm..................................................................................... 63
3.3.2 Công tác chuẩn bị vàthi công lắp đặt.............................................................. 63
3.3.3 Phƣơng pháp đo............................................................................................. 68
3.4 Kết quả quan trắc vàbình luận................................................................................ 69
3.4.1 Kết quả quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng thấm thoá ra từ nêm cát..............69
3.4.2 Xác định vị trí (cao độ) của đƣờng bão hoà đổ vào nêm cát..........................72
3.4.3 Kết quả đo chất lƣợng nƣớc........................................................................... 75
3.5 So sánh giữa kết quả tính bằng phần mềm Midas với kết quả đo hiện trƣờng.......76
3.5.1 Số liệu tính toán.............................................................................................. 76
3.5.2 Các trƣờng hợp tính toán thấm....................................................................... 77
3.5.3 Kết quả tính toán thấm bằng phần mềm Midas- bài toán phẳng.....................78
3.5.4 Phân tích thấm qua môhình Midas 3D............................................................ 79
3.5.5 So sánh kết quả giữa môhình vật lývàmôhình toán......................................... 81
3.6 Kết luận Chƣơng 3................................................................................................ 85
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................... 86
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ……………………… 89
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 thân vànền đập trong các trƣờng hợp tính toán.......................46
Bảng 2-2 Kết quả tính chiều cao điểm ra của đƣờng bão hòa a0.....................................47
Bảng 2-3 Chỉ tiêu cơ lý của vật liệu trong tính toán......................................................... 48
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 nêm cát là1 m)...................51
Bảng 2-6 Hệ số ổn định khi đào với kịch bản C (chiều rộng nêm cát là2 m)...................52
Bảng 2-7 Kết quả tính toán độ vồng của nêm cát với kịch bản D.................................... 55
Bảng 3-1 Thông số hiện trạng công trình [2]................................................................... 59
Bảng 3-2 Kết quả quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng sau khi lắp đặt nêm cát, năm 2016 70
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
Bảng 3-5 Bảng kết quả đo độ đục trƣớc vàsau nêm cát................................................... 75
Bảng 3-6 Thông số của đập đất Đồng Bể......................................................................... 76
Bảng 3-7 Bảng chỉ tiêu cơ lý của đập vànêm cát.............................................................. 77
Bảng 3-8 Bảng kết quả tính toán lƣu lƣợng và điểm ra của đƣờng bão hòa...................79
Bảng 3-9 Cao độ mực nƣớc tính toán tại cá vị tríquan trắc so với kết quả đo thực tế......83


vii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ
Hình 1-1 Cấu tạo của đập đất với cá kết cấu lọc và thoát nƣớc khác nhau [34]...............10
Hình 1-2 Tƣờng chống thấm cho thân vànền đập............................................................ 10
Hình 1-3 Tƣờng nghiêng chống thấm + sân phủ............................................................. 11
Hình 1-4 Tƣờng hào tại tim đập...................................................................................... 11
Hình 1-5 Các dạng kết cấu lọc và thoát nƣớc.................................................................. 14
Hình 1-6 Vídụ về một công trình xử lýsai lầm ở Mỹ [39]................................................ 15
Hình 1-7 Bố tríhợp lýkết cấu lọc khi đắp áp trúc theo khuyến cáo của FEMA [36].........15
Hình 1-8 Đắp áp trúc mái hạ lƣu ở đập QuýLộ (Nghệ An) [29]...................................... 16
Hình 1-9 Đắp áp trúc mái hạ lƣu ở đập Triệu Thƣợng (Quảng Trị) [29].........................17
Hình 1-10 Hình ảnh trƣợt mái hạ lƣu Triệu Thƣợng (Quảng Trị) [29]...........................17
Hình 1-11 Sử dụng ống đục lỗ ở đập Hàm Lợn (Sóc Sơn, Hà Nội) [29]..........................17
Hình 1-12 Quátrình pháhoại đập đất do dòng thấm......................................................... 19

Hình 1-13 Thấm quámức ra mái hạ lƣu........................................................................... 19
Hình 1-14 Ống xói hình thành dọc theo cống lấy nƣớc gây vỡ đập................................. 19
Hình 1-15 Tiêu chí an toàn xét đến điểm ra của đƣờng bão hòa [18]..............................20
Hình 1-16 Cơ chế lọc vàlấp tắc tầng lọc [36]................................................................... 22
Hình 1-17 Cắt theo chiều dòng thấm (cắt ngang đập) qua nêm cát [14]..........................27
Hình 1-18 Mặt bằng của hệ thống nêm cát bố trítheo dạng ngắt quãng [14]....................28
Hình 1-19 Miêu tả cơ chế lọc hạt bụi của băng thu nƣớc khía rãnh [12].........................29
Hình 1-20 Ảnh chụp cách thi công lắp đặt băng thu nƣớc khía rãnh [12].......................29
Hình 1-21 Kết quả thínghiệm khả năng thu nƣớc của băng [28]..................................... 30
Hình 2-1 Kết quả tính toán đƣờng bão hòa của các trƣờng hợp khác nhau [17].............36
Hình 2-2 So sánh đƣờng bão hòa tính bằng phần mềm Seep/W vàMidas GTS [17].......36


viii
Hình 2-3 Cơ chế chiết giảm ϕ, c...................................................................................... 42
Hình 2-4 Sơ đồ tính toán đƣờng bão hoàvàổn định......................................................... 43
Hình 2-5 Môphỏng khả năng hút nƣớc của băng lọc....................................................... 43
Hình 2-6 Sơ đồ tính toán ổn định khi đào rãnh để lắp nêm cát với đập H=15m...............44
Hình 2-7 Biểu đồ thống kêhệ số thấm thân đập với chiều cao đập dƣới 15 m.................45
Hình 2-8 Biểu đồ thống kêhệ số thấm nền đập với chiều cao đập dƣới 15 m..................46
Hình 2-9 Đƣờng bão hòa trong thân đập của các trƣờng hợp tính toán...........................47
Hình 2-10 Sơ đồ đào rãnh với chiều rộng khoang đào khác nhau (Kịch bản A)..............48
Hình 2-11 Bức tranh dòng thấm ra mái hạ lƣu................................................................ 49
Hình 2-12 Quy luật thay đổi K vàJ khi đào theo kịch bản A............................................ 50
Hình 2-13 Trƣờng hợp đào nhiều rãnh cùng lúc (Kịch bản B vàC).................................51
Hình 2-14 Quy luật thay đổi K vàJ khi đào theo kịch bản B vàC..................................... 52
Hình 2-15 Mặt cắt đập cólắp đặt nêm cát......................................................................... 53
Hình 2-16 Trƣờng hợp tính toán với kịch bản D............................................................. 53
Hình 2-17 Sơ họa các kích thƣớc khi dòng thấm bị vồng lên do khoảng cách giữa
cá

nêm cát. a) khoảng cách nêm là3 m; b) khoảng cách nêm là5 m...................................... 54
Hình 2-18 Kết quả trích xuất từ phần mềm Midas để thấy độ vồng................................. 54
Hình 2-19 Đƣờng bão hoàsau khi cónêm cát vàso sánh với tiêu chían toàn....................55
Hình 3-1 Vị tríhồ Đồng Bể - Thanh Hóa (nguồn google Map)........................................ 58
Hình 3-2 Mặt cắt đập Đồng Bể sau khi đắp thêm khối áp trúc (năm 2003) [2]................61
Hình 3-3 Mặt bằng cá vị tríxuất hiện thấm....................................................................... 61
Hình 3-4 Hiện tƣợng thấm trên cơ hạ lƣu, ví trí số 2 (ảnh chụp ngày 14/4/2016)...........62
Hình 3-5 Hố đào kiểm tra cho thấy nƣớc ứ lại ở vùng tiếp xúc giữa đập cũ và khối
áp
trúc màkhông chảy về đống đá tiêu nƣớc (ảnh chụp tháng 6/2016)................................. 62


Hình 3-6 Sơ đồ không gian bố trílắp đặt nêm cát vàgiếng quan trắc................................ 65


ix
Hình 3-7 Mặt cắt nêm cát vàcá thiết bị đo........................................................................ 65
Hình 3-8 Sơ đồ bố trícá lớp băng trong nêm cát.............................................................. 67
Hình 3-9 Ảnh chụp đang quan trắc mực nƣớc và đo lƣu lƣợng (11/2017).....................67
Hình 3-10 Hình ảnh thi công tại hiện trƣờng. a) Đào rãnh; b) Lắp đặt nêm cát; c) Hoàn
thành thi công nêm cát...................................................................................................... 68
Hình 3-11 Kết quả quan trắc cột nƣớc trong cá giếng, năm 2016 và 2017......................72
Hình 3-12 Khả năng thu nƣớc tại vị trínêm N2................................................................ 73
Hình 3-13 Nƣớc thấm vào chủ yếu ở lớp nêm dƣới cùng............................................... 74
Hình 3-14 Kết quả quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng sau khi lắp đặt nêm cát, năm 2016
và năm 2017..................................................................................................................... 74
Hình 3-15 Sơ đồ vị trílấy mẫu đo độ đục trƣớc vàsau nêm cát........................................ 75
Hình 3-16 Mặt cắt ngang đập Đồng Bể tại vị trítính toán................................................ 76
Hình 3-17 Sơ đồ các trƣờng hợp tính toán....................................................................... 77
Hình 3-18 Đƣờng bão hoà cho các trƣờng hợp TH1 vàTH2........................................... 78

Hình 3-19 Đƣờng bão hoà cho các trƣờng hợp TH2, TH3 vàTH4..................................78
Hình 3-20 Môhình tính toán thấm 3D.............................................................................. 80
Hình 3-21 Hình ảnh đƣờng bão hoàtại cá mặt cắt xem xét.............................................. 81
Hình 3-22 So sánh kết quả đo đạc thực tế vàtính toán, MNTL = +36,80 m.....................81
Hình 3-23 So sánh kết quả đo đạc thực tế vàtính toán, MNTL = +38,20 m.....................81
Hình 3-24 So sánh kết quả đo đạc thực tế vàtính toán, MNTL = +39,05 m.....................81
Hình 3-25 So sánh kết quả đo đạc thực tế vàtính toán, MNTL = +39,70 m.....................82
Hình 3-26 Hình ảnh độ vồng đƣờng bão hoàdo nêm cát tính bằng môhình 3D...............84
Hình 3-27 So sánh kết quả tính toán độ vồng bằng lýthuyết với thực nghiệm.................84


x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
1. Các từ viết tắt
ASCE
USCOLD
FEMA
USBR
Ống PVC
NTU
MNDBT
MNDGC
MNTL
TL
HL
TH
ĐBH
PTHH
BPCB
2. Các kýhiệu

Qc

Lƣu lƣợng cần thoát, tính

Lb

Chiều dài băng thu nƣớc

Wb

Lƣu lƣợng thu đƣợc trên

theo kết quả thínghiệm, tù


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 vào/ ra trong một đơn vị thể tích trên một đơn vị thời gian,
3

(m /s)
3



Độ ẩm thể tích, (m /s)

t

Thời gian, (s)

m

Độ dốc của đƣờng cong hàm lƣợng nƣớc, (1/m)

w

uw
pw
γw

Cột nƣớc áp lực, (m)
Áp lực nƣớc lỗ rỗng, (kN/m2)
Khối lƣợng riêng của nƣớc, (kN/m3)

y

Cao trình mặt nƣớc, (m)

n

Độ rỗng hiệu dụng



Hệ số né của tầng chứa nƣớc

c

Tính né của nƣớc

w

Ss

Lƣợng tích trữ nƣớc


xii


Hệ số lƣợng tích trữ nƣớc

τ

Sức kháng cắt của vật liệu

τf

Sức kháng cắt của mặt trƣợt

K

Hệ số ổn định nhỏ nhất

[K]c

Hệ số ổn định cho phép

p

[J]cp

Gradient thấm cho phép


xiii
GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ
“Đập vừa vànhỏ” Đập vừa cóchiều cao từ 10 m đến dƣới 15 m hoặc đập códung tích
3

3

toàn bộ từ 500.000 m đến dƣới 3.000.000 m , chiều dài đập nhỏ hơn 500 m và có lƣu
3

lƣợng tràn xả lũ thiết kế dƣới 2.000 m /s. Đập nhỏ là đập cóchiều cao dƣới 10 m hoặc hồ
3

chứa nƣớc códung tích toàn bộ dƣới 500.000 m , theo quy định trong điều 3 nghị định
114/2018/ND-CP về Quản lý an toàn đập, hồ chứa nƣớc.
“Khối lõi (Core)” là khối đất cótính thấm thấp làm tƣờng tâm cản nƣớc trong đập.
“Chân khay (Cutoff Trench)” là tƣờng hào chặn ngang tầng thấm nhiều ở nền,
đƣợc nối với lõi.
“Khối thƣợng lƣu (Upstream Shell)” là khối đất cótính chịu nƣớc tốt. Hình dạng, độ
dốc mái của khối thƣợng lƣu còn xét đến điều kiện mực nƣớc thƣợng lƣu rút đột ngột.

“Ống khói thoát nƣớc (Chimney Drain)” là tầng lọc bố trísát mặt hạ lƣu của khối
lõi (thẳng đứng hoặc nghiêng), nƣớc trong thân đập đƣợc thu vào trong ống khói và
đƣợc ra thảm tiêu nƣớc. Lớp này cũng hoạt động nhƣ một lớp chuyển tiếp giữa khối lõi
vàkhối hạ lƣu.

“Ống khói lọc (Chimney Filter)” là lớp lõi lọc chống xói ngầm dạng ống khói.
Thông thƣờng, lớp này cấu tạo bằng cá hạt cát.
“Lớp đá lát mái thƣợng lƣu (Riprap) và lớp lót (Bedding)” là lớp đá lát mái
thƣợng lƣu làm nhiệm vụ bảo vệ, chống xói mòn do tác động của sóng hồ chứa. Lớp lót
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 bình, dung trọng cao.
“Thảm tiêu nƣớc nền đập (Blanket Drain)” là kết cấu cónhiệm vụ giảm áp suất
thủy tĩnh nền móng do thấm qua vàbảo vệ chống sự di chuyển hạt trong nền móng đất.


xiv
Nó cũng tạo một lối thoát cho nƣớc thấm đƣợc thu gom bởi ống khói thoát nƣớc.
“Rãnh thoát nƣớc chân đập (Drainage Ditch)” là rãnh đào ở chân mái hạ lƣu đập
để thu gom nƣớc thấm. Hiệu quả nhất khi rãnh cắt qua hoàn toàn lớp nền thấm nƣớc.
Cũng có thể đƣợc sử dụng để thu gom nƣớc từ giếng tiêu nƣớc.
“Sân phủ thƣợng lƣu (Impervious Blanket)” là kết cấu kéo dài đƣờng viền thấm và
làm tăng tổn thất cột áp thấm khi đập nằm trên nền dễ thấm vàxét thấy việc làm tƣờng hào
cắt qua tầng thấm làkhông khả thi. Lớp phủ thƣợng lƣu đƣợc kết nối với bộ phận chống
thấm thân.
“Tƣờng hào chống thấm (Cutoff Wall)” là tƣờng chắn nƣớc theo chiều dọc trục
đập, tƣờng bằng đất-xi măng-bentonite, hoặc ở dạng màn chống thấm bằng khoan phụt,
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.
“Rãnh thoá (drainage)” là một kết cấu tập trung nƣớc để tiêu nƣớc ra khỏi phạm vi
đập.
“Băng thu nƣớc” là băng đƣợc khía rãnh hình Ω, chúng cóhai hình dạng làdạng tấm
vàdạng ống, dùng để thay thế cho cá vật liệu lọc chuyền thống. Băng thu nƣớc có ƣu điểm

làlàm việc theo nguyê lýmao dẫn do vậy sẽ tránh đƣợc lấp tắc do cá hạt bụi có trong nƣớc
không bị cuốn theo dòng nƣớc đi vào rãnh.
“Hệ thống nêm cát” là hệ thống kết cấu bao gồm các băng thu khía rãnh gắn trên ống
PVC, đặt trong lớp cát thô để lọc theo nguyê lýmao dẫn nê giảm thiểu nguy cơ tắc nghẽn
kết cấu lọc – gọi tắt là “Nêm cát”.


1
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Đập đắp bằng vật liệu địa phƣơng đƣợc xây dựng ở nƣớc ta chiếm đến 90%, nên
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. Các sự cố về thấm đƣợc thể
hiện muôn hình muôn vẻ, mất ổn định do thấm chiếm gần 45%. Đập đất vừa vànhỏ
cóchiều cao đập nhỏ hơn 15 m, thuộc công trình cấp III, IV (Quy chuẩn 04-05: 2012).
Loại đập này đƣợc xây dựng khásớm từ những năm 1960-1980 với kỹ thuật khảo sát
hạn chế, thiếu cá tiêu chuẩn, quy phạm thiết kế, thiết bị thi công không đáp ứng yêu cầu
kĩ thuật, thiếu hoặc không cóquy trình vận hành và không đƣợc sửa chữa định kỳ, thiếu
năng lực dự báo, theo Báo cáo dự án đầu tư sử dụng vốn ODA (vốn vay WB), 2015. Đối
với công trình cấp III, IV chỉ trong trƣờng hợp đặc biệt mới bố trícá thiết bị quan trắc nê
khócóthể phát hiện sớm cá sự cố và thƣờng khi phát hiện ra đã quá muộn đặc biệt làsự
cố về thấm.
Đập đất không thể chống thấm tuyệt đối, vấn đề làthấm không gây ra xói ngầm,
mất nƣớc quámức vàlàm mất ổn định của mái đập đất. Xói ngầm cơ học thƣờng xảy ra
tại cá mặt tiếp xúc, chuyển đổi từ vật liệu cóhạt mịn hơn vào lớp vật liệu cóhạt thô, hoặc
ra ngoài không khí. Để ngăn chặn xói ngầm ngƣời ta sử dụng tầng lọc ngƣợc.
Theo TCVN 8422: 2010, lọc ngƣợc chính lànhững lớp vật liệu trung gian, nối tiếp
đất hạt nhỏ cần bảo vệ với đất hạt to (bộ phận tiêu nƣớc). Chức năng chủ yếu của lọc
ngƣợc là ngăn ngừa xói ngầm cơ học nguy hiểm trong đất hạt nhỏ cần bảo vệ. Trong
trƣờng hợp cábiệt, lọc ngƣợc cóthể làm nhiệm vụ gia tải chống hiện tƣợng đùn đất.

Lọc ngƣợc cóthể lànhững kết cấu độc lập hoặc làbộ phận của cá kết cấu tiêu nƣớc
(nghiêng theo mái dốc, ống, lăng trụ đá, v.v…). Để làm lọc ngƣợc, chỉ đƣợc dùng vật
liệu thiên nhiê gia công hoặc đã đƣợc xử lý, không dính, lấy từ các đá rắn vàchắc,
không chứa muối hòa tan trong nƣớc. Việc bố tríkết cấu lọc ngƣợc cho đập đắp mới do
cá kỹ sƣ chủ động, bố trítheo chức năng lọc và thoát nƣớc hay đơn giản chỉ nhƣ là một
vật cấu tạo.
Kết cấu lọc ngƣợc thông dụng trình bày trong cá tài liệu sách vở hiện nay có


2
nhiều loại, chủ yếu áp dụng phùhợp cho đập đắp mới. Sử dụng kết cấu lọc ngƣợc có
hình thức cấu tạo nhƣ cho đấp đắp mới vào trong nâng cấp cải tạo cá hồ đập vừa và nhỏ
đang tích nƣớc khóthực hiện vìcá lýdo sau đây: (i) kỹ thuật tính toán tầng lọc phức tạp,
cá kỹ sƣ thiết kế thƣờng lấy theo cấu tạo; (ii) vật liệu làm tầng lọc không có sẵn, hoặc
không đạt đƣợc chỉ tiêu về thành phần cấp phối hạt; (iii) việc đào chân mái để lắp đặt vật
thoát nƣớc cóthể gây mất an toàn đập; (iv) thi công rất khó đạt đƣợc nhƣ bản 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 tác giả
cùng nhóm nghiê cứu tại Viện Thủy công đề xuất, đã đƣợc chấp nhận vàcông bố cấp
Bằng độc quyền sáng chế trong công báo số CBA 351- tháng 6/2017. Sáng chế này đề
cập đến giải phá thu lọc nƣớc thấm ở chân mái hạ lƣu đập đất, hạ thấp đƣờng bão hòa,
nâng cao ổn định vàan toàn của đập đất. Tuy nhiên, sáng chế chỉ mới dừng ở mức ý
tƣởng mà chƣa chứng minh đƣợc hiệu quả, cách bố trí, tính toán thiết kế, minh chứng
trong thực tế.
Vìvậy, việc nghiê cứu kết cấu nêm cát thu lọc nƣớc thấm thân đập làcần thiết đối
với các đập nâng cấp, sửa chữa khi hồ chứa đang vận hành. Hiệu quả của giải phá nêm
cát thể hiện qua cá yếu tố nhƣ: kích thƣớc, khoảng cách hợp lýgiữa cá nêm, mức 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 án.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Đề xuất kết cấu nêm cát thu-lọc-thoát nƣớc thấm ở hạ lƣu đập đất vừa vànhỏ thay
thế cho kết cấu lọc ngƣợc cát-đá-sỏi truyền thống. Kiến nghị phƣơng án bố trínêm cát
để vừa đảm bảo hiệu quả thu-lọc-thoát nƣớc thấm, vừa bảo đảm an toàn thi công khi hồ
đang tích nƣớc.
3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tƣợng nghiê cứu:
Đập đất đồng chất vừa vànhỏ (theo định nghĩa trong Nghị định 114/2018/NĐ-CP
ngày 14/9/2018 của Chính phủ về Quản lý an toàn đập, hồ chứa nƣớc) đang tích
nƣớc vàbị thấm quámức, cần phải xử lý để bảo đảm an toàn đập kể cả trong quá


3
trình thi công.
Phạm vi nghiê cứu:
-

Nghiên cứu điểm ra của đƣờng bào hòa khi lắp đặt nêm cát;

-

Hệ số ổn định trong quátrình thi công (hệ số an toàn trƣợt tổng thể vàcục bộ;
gradient thấm lớn nhất xuất hiện khi thi công);

-

Chất lƣợng thu lọc nƣớc đánh giá qua việc phân tích mẫu nƣớc trên môhình
1:1.

4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Luận án đã sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu sau đây:
-

Nghiên cứu tài liệu: Các nghiê cứu, tài liệu sách vở, tiêu chuẩn kỹ thuật, v.v... về

thấm ảnh hƣởng đến an toàn ổn định đập đất, kết cấu lọc ngƣợc, vật liệu lọc, v.v...
-

Phƣơng pháp kế thừa: Tiêu chí đánh giá an toàn đập của Phạm Ngọc Quý, kết quả

nghiê cứu áp dụng băng khía rãnh để lọc nƣớc của Nguyễn Quốc Dũng, v.v…
-

Phƣơng pháp mô hình toán: Sử dụng cá phần mềm thƣơng mại (cụ thể làphần

mềm địa kỹ thuật Midas GST cóbản quyền) để tính toán để xác định các đƣờng bão hòa
thấm (2D và3D), hệ số an toàn tổng thể vàcục bộ cho đập hiện trạng, tính khả năng xói
ngầm trong quátrình thi công vàsau khi hệ thống nêm cát thu lọc nƣớc đã đƣợc lắp đặt.
-

Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm: Lắp đặt 3 nêm cát vàhệ thống quan trắc

cao độ đƣờng bão hòa (4 giếng đo mực nƣớc), đo lƣu lƣợng thấm bằng đồng hồ kết
hợp 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 thêm một giải pháp đơn giản vàhiệu quả để thu lọc và

thoát nƣớc thấm phía hạ lƣu, tăng tính an toàn cho đập đất vừa vànhỏ.
6. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
-

Đề xuất vàthiết lập cơ sở lýluận kết cấu nêm cát thu lọc nƣớc thấm ở mái hạ lƣu
đập đất vừa vànhỏ.

-

Bằng thínghiệm hiện trƣờng và nghiê cứu trên mô hình toán đề xuất đƣợc
phƣơng án bố tríhệ thống nêm cát để xử lýthấm 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 tài liệu
tham khảo. Nội dung vàcấu trúc Luận án cóthể tóm tắt nhƣ sau:
CHƢƠNG 1: Tổng quan về thấm vàkiểm soát thấm ở đập đất
Thấm làmột nguyê nhâ chính gây ra sự cố, hƣ hỏng đập đất. Vìvậy, khi thiết kế
đập đất cần phải cả kết cấu chống thấm vàkiểm soát thấm. Hiện nay trong thiết kết nâng
cấp cải tạo đập vừa vànhỏ cóvấn đề về thấm, tƣ vấn thƣờng ƣu tiên quan tâm đến kết

cấu chống thấm màcoi nhẹ việc thiết kế kết cấu kiểm soát thấm (lọc và thoát nƣớc).
Tầng lọc bằng cát-đá-sỏi truyền thống áp dụng trong đập đất đƣợc nghiê cứu từ
những năm 50 của thế kỷ trƣớc và đã đƣợc xây dựng thành tiêu chuẩn. Kết cấu thu lọc
và thoát nƣớc thấm trong đập đất (màbản chất làtầng lọc) trình bày trong tiêu chuẩn và
cá tài liệu hiện cóáp dụng phùhợp cho đập đắp mới. Với các đập vừa vànhỏ cần xử lý
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 toàn thi công khi hồ đang tích nƣớc.
Sáng chế nêm cát thu lọc nƣớc thấm do tác giả cùng nhóm nghiê cứu đề xuất cung
cấp một giải pháp mới để thu lọc nƣớc thấm sau đập đất, sử dụng vật liệu mới là băng
thu khía rãnh theo nguyên lý mao dẫn. Nhờ đó đã làm đơn giản cách tính toán, thi công
nhanh cóthể áp dụng cho đập vừa vànhỏ đang tích nƣớc. Tuy nhiên để cóthế áp dụng
rộng rãi cần tiếp tục nghiê cứu làm rõhiệu quả lýthuyết vàthực tế. CHƢƠNG 2: Nghiên
cứu cơ sở lýluận về nêm cát
Nêm cát thu-lọc-thoát nƣớc thấm phải đạt đƣợc mục tiêu hạ thấp đƣờng bão hòa,


5
với đập đang bị thấm thìnóphải đƣa đƣợc đƣờng bão hòa trong đập đất về trong phạm
vi an toàn (theo tiêu chívề thấm thì độ cao điểm ra của đƣờng bão hòa phải nhỏ hơn giá
trị giới hạn). Ngoài ra, chất lƣợng lọc phải đảm bảo ổn định lâu dài để không sinh ra
hiện tƣợng rửa trôi hoặc lấp tắc, trong quá trình đào rãnh để lắp đặt phải tuyệt đối bảo
đảm an toàn.
Trong Chƣơng này, Luận án đã phân tích và lựa chọn phần mềm Midas GTS để
phân tích đƣờng bão hòa thấm cho một đập đất cao 15 m (giới hạn trên của đập loại
vừa), bị thấm quámức giới hạn (điểm ra của đƣờng bão hòa nằm trên giátrị giới hạn),
cần xử lýthấm bằng nêm cát.
Bằng phần mềm Midas GTS, luận án đã tính toán và kết luận:
-

Khi hồ đang tích nƣớc chỉ đƣợc phép đào chân đập để lắp đặt nêm cát với chiều

rộng rãnh đào không quá 5 m (W<5 m). Tốt nhất là 1 m để phùhợp với thiết bị thi
công.

-

Với rãnh đào 1 m (W=1 m) thìkhoảng cách rãnh đào không nên quá 4 m (L<4 m),
cho phép đào và để hở 3 rãnh một lúc, lắp đặt xong rãnh nào thìlấp lại, sau đó
mới đƣợc đào rãnh tiếp theo. Làm nhƣ vậy để đảm bảo gradient dòng thấm xuất
hiện trên vách hố đào không vƣợt quágiátrị giới hạn (Jmax < [J]) vàhệ số an toàn
ổn định cho phé (K < [K]);

-

Với W=1 m vàL=4 m, phần mềm Midas GTS đã cung cấp bức tranh dòng thấm bị
hút vào nêm cát tƣơng tự nhƣ hiện tƣợng hút nƣớc dãy giếng khoan. Với L=4 m
thì độ vồng của đƣờng mực nƣớc không đáng kể, chứng tỏ khoảng cách bố trí nhƣ
vậy làphùhợp.
Qua kết quả đạt đƣợc trong Chƣơng này, luận án kết luận phần mềm Midas GTS

làm một phần mềm mạnh trong việc môphỏng bài toán thi công lắp đặt nêm cát vàphân
tích bài toán thấm không gian. Điều này sẽ đƣợc tiếp tục chứng minh trong Chƣơng
tiếp theo, khi so sánh kết quả tính bằng phần mềm với kết quả đo trên mô hình thực tế
tại đập Đồng Bể (Thanh Hóa).
CHƢƠNG 3: Nghiên cứu hiệu quả của nêm cát thu lọc nƣớc thấm tại đập Đồng Bể,
tỉnh Thanh Hóa


6
Trong Chƣơng 2 việc khai báo băng khía rãnh nhƣ một loại vật liệu cóhệ số thấm
K = 1,5x10

-3

m/s cũng chỉ theo kinh nghiệm của ngƣời tính mà chƣa đƣợc kiểm chứng,

Đặc biệt, chất lƣợng lọc của nêm cát, cũng nhƣ hoạt động của nêm cát có đƣợc ổn định
lâu dài hay không thìkhông thể tính bằng phần mềm đƣợc. Vìvậy, Luận án đã tiến hành
lắp đặt 3 nêm cát vàhệ thống quan trắc cao độ đƣờng bão hòa, đo lƣu lƣợng thấm, đo
chất lƣợng lọc, v.v… tại đập đất hồ Đồng Bể (tỉnh Thanh Hóa) vàquan trắc số liệu trong
2 năm 2016 và năm 2017.
Kết quả thực nghiệm hiện trƣờng cho thấy sự phùhợp với kết quả tính toán bằng
phần mềm Midas GTS. Cụ thể:
-

Khi chƣa lắp đặt nêm cát, nƣớc thấm ra cơ hạ lƣu (số đọc trong giếng h3 âm).

-

Khi lắp đặt nêm cát thìcột nƣớc trƣớc nêm cát giảm (số đọc h1 dƣơng), năm
2016 là1,48 m và năm 2017 là 1,12 m. Chấm dứt hiện tƣợng nƣớc thấm ra
cơ hạ lƣu.

-

Xu hƣớng vận động lên xuống của đƣờng bão hòa tại nêm cát (số đọc h1),
giữa nêm cát (số đọc h2 vàh2‟ ) vàngoài xa nêm cát (số đọc h3) đồng pha và
phụ thuộc mực nƣớc hạ lƣu. Độ vồng của đƣờng bão hòa giữa 2 nêm cát khá
phùhợp giữa lýthuyết vàthực nghiệm.

-

Qua đó cho thấy việc bố tríkhoảng cách nêm cát 4 m làhợp lý.

-

Kết quả quan trắc cho thấy dòng thấm trong thân đập đã dâng cao và đổ vào
lƣng nêm cát. Điều này dẫn đến kiến nghị: xem xét nên đặt băng lọc bố trí
liên tục một lớp ở đáy thay vì bố trínhiều lớp.

-

Sau hai năm hoạt động nêm cát vẫn hoạt động bình thƣờng, điều này khẳng
định một lần nữa nêm cát hoạt động bền vững, ít có nguy cơ tắc.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TỒN TẠI VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP TỤC
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO


7
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ THẤM VÀ KIỂM SOÁT THẤM Ở ĐẬP ĐẤT
1.1 Thấm lànguyên nhân chính gây mất an toàn đập
Theo [29] (Todd Hill, P.E.; Cục Cải tạo đất Hoa Kỳ; Đập đất- Các dạng hƣ hỏng
tiềm năng; Báo cáo tại Hội thảo ngày 12/07/2016, HàNội), tổng kết cá dạng hƣ hỏng
của đập đất tại Mỹ nhƣ Bảng 1-1.
Bảng 1-1 Tổng kết các hƣ hỏng đập đất tại Mỹ [29]

Dạng hƣ hỏng

Tràn đập
Đập tràn/ cống xả (cá công trình hỗ trợ)
Xói ngầm xuyên qua đập
Xói ngầm từ kèvào móng
Xói ngầm xuyên qua móng
Sạt lở hạ lƣu
Sạt lở thƣợng lƣu
Động đất
Tổng cộng (3)
Tổng tràn đập vàcá công trình hỗ trợ
Tổng xói ngầm
Tổng sạt lở
Tổng số hƣ hại đập đất (trong thi công)
Tổng số năm vận hành đập đất (cho tới
năm 1986)
Tổng xác suất hƣ hỏng


Nhận xét: Hư hỏng thường gặp ở đập đất do thấm chiếm khoảng 45%-50%.