BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI




TÔ QUANG TRUNG



NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH VÁCH HÀO
THI CÔNG TRONG DUNG DỊCH BENTONITE
THEO TRẠNG THÁI KHÔNG GIAN BA CHIỀU






LUẬN VĂN THẠC SĨ






Hà Nội – 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

TÔ QUANG TRUNG



NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH VÁCH HÀO
THI CÔNG TRONG DUNG DỊCH BENTONITE
THEO TRẠNG THÁI KHÔNG GIAN BA CHIỀU

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Mã số: 60-58-40



LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái



Hà Nội – 2013

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian dài tập trung nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, tác giả đã
hoàn thành luận văn đúng thời hạn theo quy định nhà trường đã giao.
Có được kết quả trên, trước tiên tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy giáo
PGS.TS. Nguyễn Cảnh Thái đã dành nhiều thời gian, tâm huyết, tận tình hướng dẫn

để tác giả hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các giảng viên trường Đại học Thủy lợi đã tận
tình giảng dạy, giúp đỡ, truyền đạt kiến thức tới tác giả trong suốt quá trình học tập
ở Đại học cũng như trong quá trình học Cao học.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn tới Ban lãnh đạo Viện Thủy công, trung tâm
Công trình Ngầm đã tạo điều điện thuận lợi về thời gian để tác giả có thời gian
nghiên cứu và hoàn thành luận văn này
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Gia đình đã nuôi dưỡng, động viên và tạo
mọi điều kiện tốt nhất cho tác giả học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn bè, những người đã
luôn nhiệt tình giúp đỡ tác giả để hoàn thành tốt luận văn này.

Hà Nội, ngày tháng năm 2013



Tô Quang Trung


LỜI CAM KẾT
Tên tôi là: Tô Quang Trung
Học viên lớp: 19C12
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 luận văn




Tô Quang Trung
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU 1

I. Tính cấp thiết của đề tài 1

II. Mục tiêu nghiên cứu 1

III. Cách tiếp cận 2

IV. Phương pháp nghiên cứu 3

V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG 4

1.1 Vai trò của nguồn nước và đập đất 4

1.2 Các sự cố công trình do dòng thấm gây ra 5

1.3 Biện pháp chống thấm dạng truyền thống cho đập đất 8

1.3.1. Chống thấm thân đập 8

1.3.2. Chống thấm cho nền đập 10

1.4 Biện pháp mới chống thấm cho đập đất 13

1.4.1. Chống thấm cho đập đất bằng màng địa kỹ thuật (Geomembrane) .13


1.4.2. Chống thấm bằng công nghệ khoan phụt truyền thống 15

1.4.3 Công nghệ khoan phụt cao áp (Jet – grouting) 16

1.4.4. Chống thấm bằng công nghệ tường hào Bentonite 18

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH HÀO BENTONITE
TRONG KHÔNG GIAN BA CHIỀU 30

2.1 Sự ổn định của hào bentonite 30

2.2 Phương pháp cân bằng giới hạn trong không gian ba chiều (LEM-3D) 32

2.2.1 Một số dạng mặt trượt đã được đề xuất [12] 33

2.2.2 Lập công thức tính toán ổn định mặt trượt hình nêm 34

2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn trong không gian ba chiều (FEM-3D) 40

2.3.1 Nội dung cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn [2] 40

2.3.2 Giải bài toán ổn định bằng phương pháp phần tử hữu hạn [2] 40

2.4. Mô hình vật liệu trong phương pháp phần tử hữu hạn 44

2.4.1 Mô hình đàn hồi tuyến tính 44

2.4.2 Mô hình Mohr-coulomb (mô hình dẻo tuyệt đối) 44

2.4.3 Mô hình mềm (soft-soil) 45


2.4.4 Mô hình Hardening soil (Mô hình tăng bền kép) 45

2.5 Lựa chọn mô hình vật liệu để tính toán 46

2.6 Lựa chọn phần mềm để tính toán 46

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH HÀO BENTONITE TRONG KHÔNG
GIAN BA CHIỀU 47

3.1 Đặt vấn đề 47

3.2 Tính toán ổn định vách hào bằng phương pháp cân bằng giới hạn (LEM)48

3.3 Tính toán ổn định vách hào bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 52

3.3.1 Mô hình tính toán. 52

3.3.2 Chỉ tiêu cơ lý trong tính toán 53

3.3.3 Mô hình hóa các bước tính toán. 53

3.3.4 Kết quả tính toán 55

3.3.5 Kiểm chứng hai phương pháp tính toán LEM và FEM 57

3.4 Nghiên cứu ổn định vách hào bằng phương pháp LEM 59

3.4.1 Giới hạn nghiên cứu 59


3.4.2 Ảnh hưởng của kích thước hào đến sự ổn định vách hào trong đất ít
dính 60

3.5 Ảnh hưởng của áp lực bentonite với ổn định vách hào. 64

3.6 Ảnh hưởng của góc ma sát φ và lực dính C với ổn định vách hào 67

3.6. 1 Ảnh hưởng của góc ma sát φ 67

3.6.2 Ảnh hưởng của lực dính C 69

3.7 Kết luận chương 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72

1. Kết luận 72

2. Những hạn chế của đề tài 72

3. Kiến nghị 73

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sự cố thấm mái hạ lưu đập Am Chúa- Khánh Hòa 6

Hình 1.2: Mạch sủi hạ lưu đập Am Chúa- Khánh Hòa 7

Hình 1.3: Sình lầy do thấm hạ lưu đập Kim Sơn- Hà Tĩnh 7

Hình 1.4: Đập có tường lõi mềm 9


Hình1.5: Đập đất có tường nghiêng mềm 10

Hình 1.6: Đập đất đồng chất có tường răng 11

Hình 1.7: Đập có tường nghiêng chân răng, tường lõi chân 12

Hình 1.8: Chống thấm cho nền bằng bản cọc 12

Hình 1.9: Chống thấm bằng tường nghiêng sân phủ 12

Hình 1.10: Chống thấm bằng vải địa kỹ thuật 14

Hình 1.11: Phạm vi ứng dụng của các loại khoan phụt 15

Hình 1.12: Sơ đồ công nghệ Jet-grouting, thi công tạo tường chống thấm 17

Hình 1.13: Thi công Tường Hào Bentonite Albian, Ft. McMurray, Alberta xây để
bảo vệ môi trường trong quá trình khai thác dầu mỏ 19

Hình 1.14: Gầu đào và quá trình lấp hào 19

Hình 1.15: Tường hào chống thấm bằng bentonite 20

Hình 2.1: Quá trình hình thành màng bentonite ở vách hào 30

Hình 2.2: Hình dạng của các nêm trượt đã được nghiên cứu 33

Hình 2.3: Khối trượt hình nêm 34

Hình 2.4: Phân vùng tính áp lực S

n1
và S
n2
37

Hình 3.1: Biểu đồ quan hệ θ ~ Fs 48

Hình 3.2: Biểu đồ quan hệ H ~ Fs 51

Hình 3.3: Mô hình tính toán ổn định hào có kích thước LxBxH theo FEM 52

Hình 3.4: Mô hình lưới phần tử 2D 53

Hình 3.5: Mô hình lưới phần tử 3D 54

Hình 3.6: Điều kiện áp lực nước lỗ rỗng ban đầu 54

Hình 3.7: Điều kiện ứng suất hiệu quả ban đầu 54

Hình 3.8: Dung dịch trong hào được thay thế bằng áp lực phân bố 55

Hình 3.9: Lưới chuyển vị hào khi trượt dạng 3D 55

Hình 3.10: Lưới chuyển vị tại mặt cắt vách hào 55

Hình 3.11: Chuyển vị tổng thể của mặt cắt giữ hào và mặt cắt gần đầu hào 56

Hình 3.12: Kết quả tính toán ổn định vách hào, Msf = 1.123 56

Hình 3.13: Biểu đồ L/H~Fs và biểu đồ L/H~ Htr với TH1.3, γ

sl
= 10,5kN/m
3
61

Hình 3.14: Biểu đồ L/H~Fs và biểu đồ L/H~ Htr với TH1.3, γ
sl
= 11,0kN/m
3
62

Hình 3.15: Biểu đồ L/H~Fs và biểu đồ L/H~ Htr với TH1.3, γ
sl
= 12,0kN/m
3
63

Hình 3.16: Biểu đồ Fs ~ γ
sl
với TH1.3, H = 20m, H
w
= 1m, H
sl
= 0m 65

Hình 3.17: Biểu đồ Fs ~ γ
sl
trường hợp H = 20m, L = 6m, H
w
= 1m, H

sl
= 0m 66

Hình 3.18: Biểu đồ Fs ~ φ (độ), trường hợp H = 30m, L = 3m; 6m; 90m; 300m, H
w

= 1m, H
sl
= 0m, C = 0; 1; 2 và 5 kN/m
2
, φ = 200; 250; 300; 350 69

Hình 3.19: Biểu đồ Fs ~ C(kN/m
2
), trường hợp H = 30m, L = 3m; 6m; 90m; 300m,
H
w
= 1m, H
sl
= 0m, φ = 20
0
; 25
0
; 30
0
; 350, C = 0; 1; 2 và 5 kN/m
2
69






DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Thống kê một số công trình tường hào đất - bentonite đã xây dựng trên
thế giới [6] 26

Bảng 1.2. Thống kê một số tường hào đất - bentonite đã xây dựng ở Việt Nam [6]28

Bảng 3.2 Xác định quan hệ H ~ Fs 50

Bảng 3.3 Chỉ tiêu cơ lý của đất nền quanh vách hào 53

Bảng 3.4 Giả thiết một số tổ hợp địa chất đại diện tính toán 57

Bảng 3.5 Kết quả tính toán ổn định theo hai phương pháp 57

Bảng 3.6 Các chiều dài hào tính toán 59

Bảng 3.7 Kết quả tính toán hệ số an toàn Fs, γ
sl
=10.5kN/m
3
,TH1.3: γ
w
=19kN/m
3
,
γ
bh

=20kN/m
3
, φ = 30(độ), C = 0kN/m
2
61

Bảng 3.8 Kết quả tính toán hệ số an toàn Fs, γ
sl
=11.0kN/m
3
,TH1.3: γ
w
=19kN/m
3
,
γ
bh
=20kN/m
3
, φ = 30(độ), C = 0kN/m
2
62

Bảng 3.9 Kết quả tính toán hệ số an toàn Fs, γ
sl
=12.0kN/m
3
,TH1.3: γ
w
=19kN/m

3
,
γ
bh
=20kN/m
3
, φ = 30(độ), C = 0kN/m
2
63

Bảng 3.10 Kết quả tính hệ số an toàn Fs theo các trọng lượng bentonite,TH1.3: γ
w

=19kN/m
3
, γ
bh
=20kN/m
3
, φ = 30(độ), C = 0 kN/m
2
, H
w
= 1m, H
sl
= 0m 65

Bảng 3.11 Kết quả tính toán hệ số an toàn Fs theo các trọng lượng bentonite theo
các tổ hợp địa chất khác trường hợp: L/H = 0,2; H = 30m, H
w

= 1m, H
sl
= 0m 66

Bảng 3.12 Kết quả tính hệ số an toàn Fs trường hợp H = 30m, γ
sl
= 10.5 kN/m
3
, L =
3m; 6m; 9m; và 30m, C = 0; 1; 2 và 5 kN/m
2
φ = 20
0
; 25
0
; 30
0
; 35
0
68

Bảng 3.13 Kết quả tính hệ số an toàn Fs trường hợp H = 30m, H
w
= 1m, H
sl
= 0m,
γ
sl
= 10.5 kN/m
3

, L = 3m; 15m; 60m; C = 0; 1; 2 và 5 kN/m
2
, φ = 20
0
; 25
0
; 30
0
; 35
0
70


1

PHẦN MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài
Những năm gần đây công nghệ thi công chống thấm cho cho các công trình
xây dựng nói chung và công trình thủy lợi nói riêng đang phát triển mạnh và rất đa
dạng. Bên cạnh những phương pháp truyền thống như: đắp sân phủ, đắp chân khay,
tường lõi sét, cừ ván chống thấm nhiều công nghệ mới đã được nghiên cứu và ứng
dụng như: Tường hào chống thấm Bentonite, công nghệ khoan phụt vữa áp lực cao
Jet-grouting, màng chống thấm bằng vải địa kỹ thuật
Bentonite là vật liệu mới ứng dụng làm tường chống thấm lần đầu tiên vào
năm 1999 tại công trình thủy lợi Dầu Tiếng tiếp đó là công trình Am Chúa, Iakao,
Easoup-Đắk Lắc, Dương Đông - Kiên Giang, đều cho hiệu quả chống thấm tốt với
giá thành hợp lý. Tuy nhiên, các công trình tường chống thấm thi công bằng biện
pháp đào hào trong dung dịch Bentonite đều được thiết kế, kiểm tra chất lượng dựa
theo kinh nghiệm hay số liệu của các công trình đã có ở nước ngoài và số ít các
công trình trong nước. Điều đó đã gây rất nhiều khó khăn trong công tác thiết kế, thi

công và công tác đánh giá kiểm định chất lượng tường chống thấm.
Trong quá trình thi công, vách hào được giữ ổn định bằng dung dịch bentonite.
Sau đó, bentonite được thay thế bằng vật liệu chống thấm (xi măng - bentonite hay
đất - bentonite) có chỉ tiêu cơ lý và trọng lượng tốt hơn nên vách hào càng ổn định
hơn. tiếp theo là xi măng thủy hóa hoặc đất cố kết càng làm tăng độ ổn định cho
vách hào. Như vậy, quá trình hào được giữ ổn định bằng dung dịch bentonite là quá
trình dễ gây mất ổn định nhất trong toàn quá trình thi công hào chống thấm. Việc
nghiên cứu lý thuyết về tính toán sự ổn định của vách hào là rất cần thiết.
II. Mục tiêu nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ổn định vách hào đào sâu trong dung dịch
Bentonite thi công trong nền ít dính theo trạng thái không gian ba chiều. Phân tích
các yếu tố ảnh hưởng, cơ chế giữ ổn định, hình dạng mặt trượt đến sự ổn định vách
2

hào . Lập công thức tính ổn định vách hào theo phương pháp cân bằng giới hạn
(LEM) 3D và kiểm chứng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 3D. Nhằm
tìm ra phương pháp tính toán hợp lý cho tính toán ổn định vách hào có xét đến hiệu
ứng không gian ba chiều. Sử dụng công thức tính ổn định vừa thiết lập tiến hành
nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố không gian ba chiều và một số yếu tố khác đến sự
ổn định vách hào.
III. Cách tiếp cận
a. Tiếp cận trên cơ sở đánh giá nhu cầu:
Nhu cầu chống thấm cho các công trình thủy lợi đã và đang xây dựng là rất
lớn. Hiện nay có nhiều phương pháp xử lý chống thấm như: Khoan phụt vữa
bentonite, vữa xi măng - Bentonite theo kiểu truyền thống, tường chống thấm bằng
cọc Xi măng- đất, tường cừ, tường barret, tường hào chống thấm Bentonite, Mỗi
phương pháp xử lý đều có ưu nhược điểm và phạm vi nhất định. Tường hào chống
thấm bằng Bentonite đang được áp dụng nhiều vì khả năng chống thấm, tiến độ thi
công nhanh và giá thành hợp lý.
b. Tiếp cận trên cơ sở đảm bảo các tiêu chuẩn hiện hành:

- Các tiêu chuẩn về thiết kế công trình;
- Các tiêu chuẩn về thấm, ứng suất, biến dạng ;
- Các tiêu chuẩn về vật liệu
c. Tiếp cận với thực tiễn công trình:
Các công trình đập ngăn sông, đê, cống ngăn nước làm việc trực tiếp với áp
lực của nước, sự dâng hạ mực nước theo mùa, theo cơn lũ hoặc chế độ thủy triều
cũng như ảnh hưởng của địa chất nền đến sự ổn định tổng thể của công trình. Các
hố móng công trình nhà cao tầng có sử dụng tường barret chống thấm làm việc
trong điều kiện nước ngầm sát mặt đất, chiều sâu đào hầm lớn đễ gây hiện tượng
mất ổn định công trình do thấm. Do đó, căn cứ vào tình hình cụ thể đề ra phương
án xử lý thích hợp.
3

d. Tiếp cận có kế thừa:
Tiếp thu kinh nghiệm, kết quả từ các đề tài dự án được thực hiện trước đây. Sử
dụng các kiến thức đã được nghiên cứu trong và ngoài nước, phát huy sáng tạo trên
nền tảng sẵn có.
IV. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập thông tin:
+ Thu thập từ các đề tài, dự án liên quan đến xử lý chống thấm, ổn định mái
dốc cho đập vật liệu địa phương.
+ Điều tra, khảo sát, tổng hợp số liệu, thu thập tài liệu thực tế, tài liệu tham
khảo, phân tích, xử lý số liệu;
+ Thu thập từ mạng Internet và các nguồn khác.
- Phương pháp chuyên gia: Tranh thủ ý kiến và kiến thức của các chuyên gia
trong các lĩnh vực.
- Phương pháp nghiên cứu trên mô hình toán: Sử dụng các phần mềm tính
toán hiện đại để mô phỏng bài toán nghiên cứu.
V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Tiếp cận công nghệ mới áp dụng vào thực tiễn khi xây dựng mới, nâng cấp

sửa chữa các công trình ở nước ta.
Phân tích với số lượng tổ hợp đủ để rút ra quy luật về ảnh hưởng của yếu tố
không gian ba chiều đối với hào đào trong dung dịch bentonite với đất nền ít dính.
4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG
1.1 Vai trò của nguồn nước và đập đất
Nước chiếm vai trò rất quan trọng trong cuộc sống của con người là thành
phần quan trọng nhất của sự sống trên trái đất. Nguồn nước được sử dụng vào công
nghiệp nông nghiệp, sinh hoạt của con người chủ yếu là nước ngọt. Trữ lượng nước
ngọt chiếm tỷ trọng ít chỉ là một phần nhỏ trong trữ lượng nước toàn thế giới. Do
vậy việc giữ và sử dụng nước ngọt làm sao cho hợp lý, đảm bảo đủ cung cấp cho
các ngành, nghề, sinh hoạt là rất quan trọng. Hiện nay, do hiện tượng biến đổi khí
hậu toàn cầu trái đất nóng lên, nước biển ngày càng dâng cao, ô nhiễm môi
trường… Nguồn nước ngọt ngày càng bị thu hẹp lại. Cho nên yêu cầu cấp bách hiện
nay của toàn thế giới nói chung và nước ta nói riêng là phải giữ và sử dụng hợp lý
nguồn nước ngọt.
Ở nước ta, nguồn tài nguyên nước rất dồi dào phong phú trải dài trong phạm vi
cả nước. Nhưng phân bố không đều theo thời gian và không gian, lượng nước ngọt
tập trung chủ yếu vào mùa mưa lũ dẫn đến mùa thì thừa nước mùa thì thiếu nước.
Địa hình dốc mạnh từ Tây sang Đông do đó dòng chảy tập trung nhanh gây ra lũ
cho hạ lưu và lượng nước này theo các sông suối nhanh chóng chảy ra biển. Vì vậy
việc xây dựng các công trình thuỷ lợi nhằm mục đích giữ lại nước của mùa thừa
nước cung cấp cho mùa thiếu nước và điều tiết để giảm lũ cho hạ lưu là rất cần
thiết.
Từ xa xưa đập đã được xây dựng nhiều ở các nước như Ai Cập, ấn Độ, Trung
Quốc và các nước Trung Á với mục đích dâng và giữ nước tưới: điển hình như đập
Moisis ở Ai Cập được xây dựng cách đây khoảng 5000 năm tạo ra hồ chứa có dung
tích 12 triệu m
3

nước. Sau này đập càng đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác
lợi dụng tổng hợp tài nguyên nước. Từ những năm 1950 trở lại đây với sự trợ giúp
mạnh của khoa học kỹ thuật, với sự đòi hỏi yêu cầu ngày càng nhiều về nguồn nước
phục vụ cho sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, lâm nghiệp, ngư nghiệp, phát điện
và nước sinh hoạt. Số lượng đập trên thế giới được xây dựng ngày càng nhiều, chiều
5

cao đập được nâng lên, tính an toàn đập ngày càng hoàn thiện. Hiện nay có khoảng
400,000 đập đã được xây dựng trên thế giới. [6]
Đập đất là công trình chủ yếu cấu thành hồ chứa, theo thống kê về thể loại
đập của tổ chức đập cao thế giới cho thấy đập đất chiếm 78%, đập đá đổ chiếm 5%,
đập bê tông trọng lực 12%, đập vòm 4%. Hiện có rất nhiều đập đã được xây dựng ở
nước ta là đập đất, trong đó phần lớn các đập được xây theo hình thức đập đồng
chất mái thượng lưu được bảo vệ bằng đá xếp, mái hạ lưu trồng cỏ trong các ô đổ
sỏi. Kinh tế ngày càng phát triển nhu cầu dùng nước ngày càng tăng lên, các đập
ngăn nước được xây dựng ngày càng nhiều và quy mô lớn như: đập Kẻ Gỗ - Hà
Tĩnh, đập Dầu Tiếng - Tây Ninh, đập Am Chúa - Khánh Hoà. [6]
1.2 Các sự cố công trình do dòng thấm gây ra
Nhờ sử dụng được những thành tựu ngày càng hoàn thiện của ngành địa kỹ
thuật, lý thuyết thấm, nghiên cứu ứng suất biến dạng của công trình và các biện
pháp thi công cơ giới nên có thể sử dụng được tất cả các loại đất đá trong xây dựng
để đắp đập và mặt cắt đập ngày càng có khả năng thu hẹp lại. Đập đất là công trình
được đánh giá là bền và chịu chấn động tốt tuy nhiên trong quá trình làm việc do tác
động của các yếu tố tự nhiên và yếu tố sử dụng của con người đã xảy ra tình trạng
hư hỏng tại nhiều đập đất với nhiều mức độ khác nhau. Nguyên nhân chính có thể
kể đến là do hiện tượng thấm qua nền đập, vai đập và thân đập gây ra. Tác hại của
dòng thấm thật là khó lường, nó không chỉ làm mất nước đối với các công trình trữ
nước mà còn làm giảm ổn định của công trình và nền như: đẩy nổi, đẩy trượt, trôi
đất, xói ngầm, trượt nền. Theo báo cáo tổng kết trên thế giới công trình thủy bị hư
hỏng do dòng thấm gây ra là nguyên nhân lớn nhất gây nên sự cố ở các đập vật liệu

địa phương, nó chiếm khoảng 35% - 40% tổng số các nguyên nhân gây hư hỏng
công trình. Thấm là tình trạng xảy ra rất phổ biến ở các đập đất, nhiều hồ chứa bị
thấm rất nghiêm trọng mà việc xử lý lại rất tốn kém khó khăn và gây tổn thất lớn về
kinh tế. Sự cố về thấm rất đa dạng, nó có thể xảy ra ngay khi công trình mới hoàn
thành: điển hình như hồ chứa nước mưa Nam Du - tỉnh Kiên Giang, khi thi công
6

xong hồ cạn hết nước dẫn đến phải xử lý chống thấm rất tốn kém, hay như đập Cà
Giây - Bình Thuận khi chưa hoàn công (1988) đã xuất hiện thấm ra ở chân mái hạ
lưu với lưu lượng 5 ÷ 7(l/phút), sau đó lưu lượng tăng nhanh có nguy cơ vỡ đập.
Hoặc sau một vài năm làm việc hiện tượng thấm mới xảy ra mãnh liệt gây tổn hại
rất lớn đến công trình như: sự cố thấm gây vỡ đập đất của hồ chứa Suối Hành, Suối
Trầu, Am Chúa -Khánh Hoà, đập Vực Tròn - Quảng Bình… là một trong những ví
dụ điển hình. Đó là những đập đã bị vỡ rồi còn những đập tuy chưa vỡ nhưng phải
xử lý thấm rất tốn kém như đập Dầu Tiếng -Tây Ninh, Easoup thượng - Đắc Lắc…,
rồi một loạt hồ chứa bị sự cố thấm phải hạ thấp MNDBT như hồ Phú Ninh, hồ
Đồng Mô - Ngải Sơn để hạn chế hiện tượng xói ngầm và dòng thấm thoát ra mái
quá cao gây mất ổn định mái hạ lưu đập. Một số công trình bị hư hỏng do dòng
thấm rất mạnh gây hiện tượng sủi đất ở nền đập như: đập Đồng Mô-Hà Tây, Suối
Giai - Sông Bé, Vân Trục - Vĩnh Phúc… Hiện tượng thấm mạnh sủi nước ở vai đập
Khe Chè - Quảng Ninh, Ba Khoang - Lai Châu, Sông Mây - Đồng Nai… [6]

Hình 1.1: Sự cố thấm mái hạ lưu đập Am Chúa- Khánh Hòa
7


Hình 1.2: Mạch sủi hạ lưu đập Am Chúa- Khánh Hòa

Hình 1.3: Sình lầy do thấm hạ lưu đập Kim Sơn- Hà Tĩnh
8


Sau một loạt các sự cố đối với đập đất ở một số các công trình hồ chứa thì vấn
đề nghiên cứu giải pháp chống thấm thích hợp nhất cho mỗi loại công trình là vô
cùng quan trọng đảm bảo cho công trình làm việc bình thường trong quá trình khai
thác. Với tình hình làm việc của đập đất như vậy hiện nay trong quá trình thiết kế
mới và sửa chữa nâng cấp các đập đất đã áp dụng khá nhiều phương án và các giải
pháp kỹ thuật để xử lý chống thấm cho thân đập và nền nhằm tránh các tác hại nguy
hiểm do dòng thấm gây ra.
1.3 Biện pháp chống thấm dạng truyền thống cho đập đất
Đối với các đập đất khi thiết kế xây dựng mới, nếu mức độ thấm của vật liệu
đất đắp đập hoặc địa chất nền đập không đảm bảo về lưu lượng thấm qua thân đập
và qua nền trong phạm vi cho phép thì người thiết kế sẽ áp dụng một số các biện
pháp chống thấm sau đây nhằm khắc phục các yếu tố này.
1.3.1. Chống thấm thân đập
1.3.1.1 Đập đất có tường lõi mềm
Lõi giữa bằng đất sét có hệ số thấm nhỏ có dạng thẳng đứng nằm chính giữa
hoặc gần như chính giữa thân đập. Theo cấu tạo bề dày đỉnh tường lõi không nhỏ
hơn 0,8m, độ dày chân tường không nhỏ hơn 1/10 cột nước nhưng phải đảm bảo ≥
2m. Đỉnh tường lõi phải đảm bảo không cho nước phía thượng lưu vượt quá đồng
thời phải cao hơn mực nước mao dẫn trong đất với độ vượt cao δ = (0,3 0,6)m tùy
theo cấp công trình.
Phải đặc biệt lưu ý đến việc liên kết giữa tường lõi và nền. Độ cắm sâu của
tường lõi vào nền đất chặt, ít thấm nước phải lớn hơn 0,5 ÷ 1,25m. Bộ phận nối
tường lõi và nền đá phải làm rất cẩn thận với các hình thức như đế răng, hoặc tường
răng bê tông cắm sâu vào khối đá tốt 0,6 ÷ 1,2m. [8]
9


Hình 1.4: Đập có tường lõi mềm
Ưu điểm:

- Chống chấn động tốt, lún dễ đều.
- Khả năng chống thấm tốt.
- Ổn định trong trường hợp nền bị biến dạng nhiều.
Nhược điểm:
- Yêu cầu một lượng sét lớn nên khó khăn tại nơi khan hiếm nguồn vật
liệu đất sét chống thấm.
- Kỹ thuật thi công phức tạp và chậm hơn tường nghiêng.
- Trong quá trình lún và cố kết dễ bị hiện tượng treo ứng suất (khi mô đun đàn
hồi của lõi và của khối đắp bên cạnh chênh lệch lớn).
- Khi bị hư hỏng khó sửa chữa.
Phạm vi ứng dụng:
Chủ yếu dùng cho những đập đất tương đối cao.
1.3.1.2 Đập đất có tường nghiêng mềm.
Tường nghiêng đắp bằng đất sét, đất thịt ít thấm nước được đặt ở sát mái
thượng lưu đập có tác dụng chống thấm cho thân đập. Bề dày tường nghiêng phụ
thuộc vào các yêu cầu cấu tạo và gradien thủy lực cho phép của đất đắp tường. Bề
dày tường tăng từ trên xuống dưới. Bề dày đỉnh tường không nên nhỏ hơn 0,8m.
Chân tường không nhỏ hơn H/10 (H - cột nước tác dụng), và không nên nhỏ hơn
2÷3m. Độ vượt cao của đỉnh tường nghiêng trên mực nước dâng bình thường ở
thượng lưu được dựa theo cấp công trình δ = 0,5÷0,8m [8]. Đỉnh tường không được
10

thấp hơn mực nước tĩnh gia cường. Trên mặt tường nghiêng có phủ một lớp bảo vệ
đủ dày (khoảng 1m) để tránh mưa nắng. Giữa tường nghiêng và lớp bảo vệ bố trí
một tầng lọc ngược.
Sự liên kết giữa tường nghiêng và nền phải tốt. Nếu nền đập là đá thì liên kết
tường nghiêng với nền bằng các răng chống thấm. Khi nền bị nứt nẻ và thấm nước
nhiều sẽ xử lý bằng phụt vữa chống thấm.



Hình1.5: Đập đất có tường nghiêng mềm
Ưu điểm:
- Hạ thấp đường bão hoà rất nhanh làm cho đất trong thân đập được khô ráo và
tăng thêm tính ổn định của mái hạ lưu.
- Thi công sửa chữa dễ dàng.
Nhược điểm:
- Lớp bảo vệ và tường nghiêng dễ bị mất ổn định trượt.
- Do nằm sát ngay mặt đập thượng lưu nên chịu tác động trực tiếp từ môi
trường bên trên như ánh nắng, rễ cây để khắc phục yếu tố này người ta đưa tường
chống thấm lùi vào trong thân đập một chút để có lớp đất đắp đủ dày phía thượng
lưu để giảm thiểu tác động có hại này.
Công trình thực tế đã áp dụng:
Đập Đá Bàn (Phú Khánh), đập Núi Một (Bình Định)… đã áp dụng hình thức
kết cấu này và cho hiệu quả chống thấm khá tốt.
1.3.2. Chống thấm cho nền đập
Dòng thấm không chỉ hình thành trong thân đập mà cả ở nền đập khi đập xây
11

dựng trên nền thấm nước. Vì vậy, đập đất xây dựng trên nền thấm nước cần thiết
phải có những biện pháp chống thấm cho nền đập nhằm hạn chế sự mất nước đồng
thời đề phòng biến dạng thấm trong nền đập. Hình thức chống thấm trong nền đập
phụ thuộc vào loại đập, chiều sâu, chiều dày tầng nền thấm nước và địa chất của
nền.
1.3.2.1 Đập đồng chất xây trên nền thấm nước thì hình thức chống thấm cho nền
thông thường là tường răng, bản cọc hoặc màng xi măng.
- Tường răng thích hợp đối với nền có tầng thấm nước không sâu lắm (thường
T ≤ 5m) và làm bằng chính vật liệu làm thân đập hoặc bằng vật liệu chống thấm tốt
như sét, á sét… Nếu tầng thấm nước lớn không thể xây dựng được tường răng thì
cần phải dùng bản cọc hoặc phun màng chống thấm xuống tận tầng không thấm
nước. Trong trường hợp tầng thấm nước nằm quá sâu hoặc vô hạn thì bản cọc hoặc

màng xi măng chỉ cắm xuống một đoạn trong tầng nền.


Hình 1.6: Đập đất đồng chất có tường răng
1.3.2.2 Đối với đập không đồng chất (có lõi giữa hoặc tường nghiêng) thì vật chống
thấm trong nền thường nối tiếp với vật chống thấm của thân đập.
Hình thức chống thấm có thể là: tường răng, sân trước. Dùng hình thức nào
phụ thuộc vào chiều sâu tầng nền, tính chất đất nền và kỹ thuật thi công.
- Tầng thấm nhỏ T ≤ 5m dùng tường răng làm vật chống thấm cho nền và nối
tiếp với lõi giữa hoặc tường nghiêng của đập. Tường răng cần cắm sâu xuống tầng
không thấm một đoạn ≥ 0,5m.

12


Hình 1.7: Đập có tường nghiêng chân răng, tường lõi chân
- Tầng thấm nước tương đối sâu thì hình thức chống thấm cho nền có thể là
bản cọc. Bản cọc cắm sâu vào lõi giữa hoặc tường nghiêng và tầng không thấm một
độ dài nhất định nhằm tránh không sinh ra xói ngầm cục bộ tại hai đầu mút bản cọc.

Hình 1.8: Chống thấm cho nền bằng bản cọc
- Khi tầng thấm nước khá dày hoặc sâu vô hạn thì sân phủ chống thấm là biện
pháp hay dùng. Sân trước làm bằng vật liệu có hệ số thấm nhỏ kéo dài ra phía
thượng lưu nên có hiệu ích giảm lưu lượng thấm qua nền và tăng ổn định thấm cho
nền. Theo điều kiện thi công chiều dày sân trước ≥ 0,5m đối với đập thấp và ≥ 1m
đối với đập cao. Mặt trên của sân trước phủ một lớp dày 1,5 ÷ 2,5m bằng các loại
vật liệu hạt lớn như: cát, sỏi, cuội… để tránh hư hỏng do nhiệt độ thay đổi và tác
dụng của sóng khi tháo cạn hồ chứa.

Hình 1.9: Chống thấm bằng tường nghiêng sân phủ

13

1.4 Biện pháp mới chống thấm cho đập đất
Khi thiết kế sửa chữa, nâng cấp cho đập đất thuộc các hồ chứa đều dựa theo
nguyên lý làm việc của các biện pháp chống thấm khi thiết kế mới đề ra. Tuy nhiên
vấn đề cơ bản ở đây là sử dụng biện pháp nào, áp dụng công nghệ nào để đạt hiệu
quả cao trong thi công, rút ngắn thời gian xây dựng và hạ giá thành công trình. Một
số biện pháp điển hình thường được sử dụng để xử lý chống thấm cho đập đã cho
hiệu quả rất tốt như:
- Công nghệ chống thấm bằng màng địa kỹ thuật (Geomembrane).
- Công nghệ khoan phụt cao áp (Jet-grouting).
- Công nghệ chống thấm bằng tường hào xi măng - Bnetonite.
1.4.1. Chống thấm cho đập đất bằng màng địa kỹ thuật (Geomembrane)
Vải chống thấm còn gọi là màng địa kỹ thuật, đây là những tấm vật liệu mỏng
rất dễ uốn có hệ số thấm rất nhỏ có thể đạt tới K = (1x10
-12
÷ 1x10
-16
)cm/s. Trong
những năm qua trước sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hoá chất người ta đã
chế tạo được nhiều loại polyme tổng hợp có độ bền cơ học cao, có khả năng chống
chọi với các điều kiện bất lợi của môi trường. Vải chống thấm phát triển mạnh mẽ ở
các nước Pháp, Mỹ, Hà Lan và các nước Châu á đặc biệt là Trung Quốc.
Nguyên lý áp dụng công nghệ: Sử dụng hình thức chống thấm kiểu tường
nghiêng cho mái thượng lưu bằng một lớp vải địa kỹ thuật, lớp vải có khả năng
chống thấm tốt (hệ số thấm rất nhỏ 10
-9
cm/s) hạn chế rất lớn lưu lượng thấm qua
công trình. Để bảo vệ lớp vải địa kỹ thuật không bị ôxy hoá và suy thoái vật liệu do
ánh sáng mặt trời và biến đổi của nhiệt độ cần phải phủ lên trên lớp vải một lớp đất

dày tối thiểu 1m. Để đảm bảo sự làm việc ổn định của vải trên mái dốc nghiêng cần
bố trí hệ thống neo giữ vật liệu trên đỉnh đập.
14


Hình 1.10: Chống thấm bằng vải địa kỹ thuật
Ưu điểm:
- Chống thấm tốt
- Độ bền cơ học cao, dễ vận chuyển
- Thi công sửa chữa dễ dàng
- Giá thành rẻ, thị trường cung cấp phong phú
Nhược điểm:
- Phải kết hợp một số vật liệu khác mới phát huy được hết hiệu quả và độ bền.
- Không thi công được trong nước, trong quá trình thi công phải hạ thấp mực
nước hồ.
- Phải có biện pháp bảo vệ chống rách cũng như vải lão hóa, thời gian sử dụng
ngắn.
- Mặt vải trơn nên vật liệu phủ lên trên dễ bị xô trượt khi trời mưa xuất hiện
dòng chảy trên bề mặt vải với lớp vật liệu đè phủ.
Phạm vi áp dụng:
- Chủ yếu ứng dụng cho đập vừa và nhỏ.
15

- Mặt bằng công trình bằng phẳng có thể làm sân phủ hoặc tường nghiêng để
kéo dài đường viền thấm.
- Chống thấm cho kênh
Công trình thực tế ứng dụng:
Một số công trình áp dụng biện pháp rải vải chống thấm có hiệu quả khá tốt
như: Hồ Dầu Tiếng, hồ Nhà Đường - Hà Tĩnh, hồ Sóc Sơn - Hà Nội…
1.4.2. Chống thấm bằng công nghệ khoan phụt truyền thống

Áp dụng cho những công trình trong quá trình thi công có những tầng địa chất
yếu chưa được xử lý, gia cố thêm cho nền và đập nhằm tăng ổn định công trình. Sau
nhiều năm vận hành sẽ hình thành các cấp bậc thấm khác nhau, dẫn đến nền móng
của công trình bị rò rỉ và trồi đất. Quá trình khoan phụt không làm ảnh hưởng đến
kết cấu, hình dạng của công trình.

Hình 1.11: Phạm vi ứng dụng của các loại khoan phụt
Khoan phụt truyền thống (còn được gọi là khoan phụt có nút bịt) sử dụng áp
lực phụt để ép vữa xi măng (hoặc ximăng – sét) lấp đầy các lỗ rỗng trong các kẽ
rỗng của nền đá nứt nẻ. Gần đây, đã có những cải tiến để phụt vữa cho công trình
đất (đập đất, thân đê, ). Phương pháp này sử dụng khá phổ biến trong khoan phụt
16

nền đá nứt nẻ, quy trình thi công và kiểm tra đã khá hoàn chỉnh. Tuy nhiên, với đất
cát mịn hoặc đất bùn yếu, mực nước ngầm cao hoặc nước có áp thì không kiểm soát
được dòng vữa sẽ đi theo hướng nào.
a) Khoan phụt kiểu ép đất
Khoan phụt kiểu ép đất là biện pháp sử dụng vữa phụt có áp lực, ép vữa chiếm
chỗ của đất.
b) Khoan phụt thẩm thấu
Khoan phụt thẩm thấu là biện pháp ép vữa (thường là hoá chất hoặc ximăng
cực mịn) với áp lực nhỏ để vữa tự đi vào các lỗ rỗng. Do vật liệu sử dụng có giá
thành cao nên phương pháp này ít áp dụng.
1.4.3 Công nghệ khoan phụt cao áp (Jet – grouting)
Công nghệ Jet - grouting được phát minh năm 1970 ở Nhật Bản. Đến nay đã
có nhiều nước sử dụng và phát triển công nghệ này trong cải tạo nền móng và xây
dựng công trình ngầm như: Trung Quốc, Mỹ, Đức…
Nguyên lý công nghệ:
Công nghệ Jet - grouting còn được gọi là công nghệ khoan phụt vữa kiểu tia,
phương pháp này dựa vào nguyên lý cắt nham thạch bằng dòng nước áp lực. Khi thi

công trước hết dùng máy khoan để đưa mũi khoan có vòi phun bằng hợp kim tới độ
sâu phải gia cố (nước + xi măng) với áp lực > 20MPa từ vòi bơm phun xả phá vỡ
tầng đất. Với lực xung kích của dòng phun và lực ly tâm, trọng lực… sẽ trộn lẫn
dung dịch vữa rồi sắp xếp lại theo một tỷ lệ có quy luật giữa đất và vữa. Sau khi vữa
cứng lại sẽ thành cột xi măng - đất (XMĐ). Nếu thi công chồng lấn lên nhau có thể
tạo thành một tường xi măng - đất, đường kính cọc xi măng đất phụ thuộc vào loại
đất, áp lực phun, tốc độ xoay và rút cần, tuỳ thuộc vào loại thiết bị với thiết bị lớn
có thể tạo ra các cọc có đường kính đến 3m. Vật liệu sử dụng tạo cọc xi măng - đất
bao gồm: xi măng, bentonite, nước và phụ gia. Theo kinh nghiệm hàm lượng xi
măng trong khoảng (50 ÷ 400)kg/m
3
là phù hợp và tỷ lệ ximăng thay đổi theo từng
loại đất.