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

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

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 = 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


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

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.



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

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

− 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.


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
MNC10

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

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
MNC12 L = (3
÷




[

]

(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
MNC13

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.

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
MNC15


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: