Luận án TS: Nghiên cứu hiệu quả hệ thống nêm cát thu lọc nước thấm 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 trì nh thủy Mãsố : 9 58 02 02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. Nguyễn Quốc Dũng 2. 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 nh bày trong luận án làtrung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kýcông trì trì nh nào khác.

Tôi xin cam đoan luận án đƣợc tiến hành nghiên cứu một cách nghiêm túc vàkết quả nghiên cứu của các 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 trì nh 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.

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 môhì nh 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….1 Thấm lànguyên nhân chính gây mất an toàn đập .2 Xử lýthấm cho đập đất khi hồ đang tích nƣớc.1 Mục tiêu của xử lýthấm.2 Cấu tạo đập đất với các kết cấu chống thấm vàkiểm soát thấm .3 Các giải pháp tăng tính chống thấm cho thân đập khi hồ đang tích nƣớc .4 Kiểm soát thấm cho đập khi hồ đang tích nƣớc .3 Tồn tại trong thiết kế kết cấu thu lọc và thoát nƣớc thấm hạ lƣu đập đất .1 Vídụ ở nƣớc ngoài.2 Vídụ ở Việt Nam .4 Cơ chế vỡ đập do thấm vàxói ngầm .1 Sự hình thành vàphát triển của xói ngầm ở đập đất .2 Xử lý đƣờng bão hòa trong thân đập dâng cao trên mái hạ lƣu .3 Xử lýhiện tƣợng xói ngầm vàlấp tắc trong tầng lọc.5 Tiêu chuẩn hƣớng dẫn thiết kế tầng lọc.1 Bộ phận thu lọc vàthoát nƣớc trong thân đập ở hạ lƣu .2 Yêu cầu đối với bộ phận thu lọc và thoát nƣớc thấm thân đập .3 Thành phần của hạt lọc ngƣợc .4 Nhiệm vụ thiết kế tầng lọc ngƣợc .5 Các trƣờng hợp tính toán khi thiết kế thành phần hạt của lọc ngƣợc .6 Yêu cầu chung đối với kết cấu lọc ngƣợc trong công trì nh thủy công .6 Giới thiệu sáng chế “nêm cát để thu lọc nƣớc thấm hạ lƣu đập đất” .1 Môtả sáng chế .2 Cơ chế lọc loại bỏ hạt bụi bằng băng khía rãnh đặt trong nêm cát .3 Khả năng thu và lọc nƣớc của nêm cát .4 Chất lƣợng lọc sau khi qua nêm cát .7 Kết luận Chƣơng 1. 31 CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ NÊM CÁT…………………… 33 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu .1 Các phƣơng pháp nghiên cứu trong phân tí ch thấm đập đất .2 Ứng dụng phƣơng pháp mô hình số để phân tích thấm đập đất cónêm cát .3 Lựa chọn phần mềm để tính thấm vàkiểm tra an toàn về thấm .1 Giới thiệu phần mềm Seep/W .2 Giới thiệu phần mềm Midas GTS .4 Phân tích thấm đập đất bằng phần mềm Midas .1 Xác định vùng an toàn vàvùng cónguy cơ mất an toàn về thấm .2 Xét ổn định khi thi công đào rãnh lắp đặt nêm cát .3 Ảnh hƣởng của khoảng cách nêm cát đến hiệu quả hạ thấp đƣờng bão hòa .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.2 Hiện trạng thấm qua đập đất hồ Đồng Bể .1 Giới thiệu công trình .2 Môtả hiện trạng thấm .3 Thínghiệm hiện trƣờng xác định hiệu quả của nêm cát .1 Sơ đồ bố tríthínghiệm.2 Công tác chuẩn bị vàthi công lắp đặt .3 Phƣơng pháp đo .4 Kết quả quan trắc vàbình luận .1 Kết quả quan trắc mực nƣớc và lƣu lƣợng thấm thoát ra từ nêm cát.2 Xác định vị trí (cao độ) của đƣờng bão hoà đổ vào nêm cát .3 Kết quả đo chất lƣợng nƣớc .5 So sánh giữa kết quả tính bằng phần mềm Midas với kết quả đo hiện trƣờng .1 Số liệu tính toán .2 Các trƣờng hợp tính toán thấm .3 Kết quả tính toán thấm bằng phần mềm Midas- bài toán phẳng .4 Phân tích thấm qua môhì nh Midas 3D .5 So sánh kết quả giữa môhì nh vật lývàmôhình toán .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…………………………………………………………….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 tí nh 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 tí nh toán. 48 Bảng 2-4 Hệ số ổn định vàgradient thấm khi đào rãnh 20 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 trì nh [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 các 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 các vị tríquan trắc so với kết quả đo thực tế. 83 vii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ nh 1-1 Cấu tạo của đập đất với các kết cấu lọc và thoát nƣớc khác nhau [34].

10 Hì nh 1-2 Tƣờng chống thấm cho thân vànền đập. 10 Hì nh 1-3 Tƣờng nghiêng chống thấm + sân phủ. 11 Hì nh 1-4 Tƣờng hào tại tim đập. 11 Hì nh 1-5 Các dạng kết cấu lọc và thoát nƣớc.

14 Hì nh 1-6 Vídụ về một công trình xử lýsai lầm ở Mỹ [39]. 15 Hì nh 1-7 Bố tríhợp lýkết cấu lọc khi đắp áp trúc theo khuyến cáo của FEMA [36]. 15 Hì nh 1-8 Đắp áp trúc mái hạ lƣu ở đập QuýLộ (Nghệ An) [29]. 16 Hì nh 1-9 Đắp áp trúc mái hạ lƣu ở đập Triệu Thƣợng (Quảng Trị) [29].

17 Hì nh 1-10 Hình ảnh trƣợt mái hạ lƣu Triệu Thƣợng (Quảng Trị) [29]. 17 Hì nh 1-11 Sử dụng ống đục lỗ ở đập Hàm Lợn (Sóc Sơn, Hà Nội) [29]. 17 Hì nh 1-12 Quátrình pháhoại đập đất do dòng thấm. 19 Hì nh 1-13 Thấm quámức ra mái hạ lƣu.

19 Hì nh 1-14 Ống xói hình thành dọc theo cống lấy nƣớc gây vỡ đập. 19 Hì nh 1-15 Tiêu chí an toàn xét đến điểm ra của đƣờng bão hòa [18]. 20 Hì nh 1-16 Cơ chế lọc vàlấp tắc tầng lọc [36]. 22 Hì nh 1-17 Cắt theo chiều dòng thấm (cắt ngang đập) qua nêm cát [14].

27 Hì Hì nh 1-18 Mặt bằng của hệ thống nêm cát bố trítheo dạng ngắt quãng [14]. 28 nh 1-19 Miêu tả cơ chế lọc hạt bụi của băng thu nƣớc khí Hì a rãnh [12]. 29 nh 1-20 Ảnh chụp cách thi công lắp đặt băng thu nƣớc khí Hì a rãnh [12]. 29 nh 1-21 Kết quả thínghiệm khả năng thu nƣớc của băng [28].

30 Hì nh 2-1 Kết quả tính toán đƣờng bão hòa của các trƣờng hợp khác nhau [17]. 36 Hì nh 2-2 So sánh đƣờng bão hòa tí Hì nh bằng phần mềm Seep/W vàMidas GTS [17]. 36 viii nh 2-3 Cơ chế chiết giảm , c. 42 Hì nh 2-4 Sơ đồ tính toán đƣờng bão hoàvàổn định.

43 Hì nh 2-5 Môphỏng khả năng hút nƣớc của băng lọc. 43 Hì nh 2-6 Sơ đồ tính toán ổn định khi đào rãnh để lắp nêm cát với đập H=15m. 44 Hì nh 2-7 Biểu đồ thống kêhệ số thấm thân đập với chiều cao đập dƣới 15 m. 45 Hì nh 2-8 Biểu đồ thống kêhệ số thấm nền đập với chiều cao đập dƣới 15 m.

46 Hì nh 2-9 Đƣờng bão hòa trong thân đập của các trƣờng hợp tí Hì nh toán. 47 nh 2-10 Sơ đồ đào rãnh với chiều rộng khoang đào khác nhau (Kịch bản A) .