Mô phỏng theo mặt bằng bài toán thấm qua đê đất đồng chất có giếng giảm áp

Microsoft Word 176 Tr?n Th? Vi?t doc Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN 978 604 82 2981 8 110 MÔ PHỎNG THEO MẶT BẰNG BÀI TOÁN THẤM QUA ĐÊ ĐẤT ĐỒNG CHẤT CÓ GIẾNG GIẢM ÁP Trần Thế Việ[.]

MÔ PHỎNG THEO MẶT BẰNG BÀI TOÁN THẤM QUA

ĐÊ ĐẤT ĐỒNG CHẤT CÓ GIẾNG GIẢM ÁP

Trần Thế Việt

Trường Đại học Thủy lợi

1 GIỚI THIỆU

Giếng giảm áp là hệ thống giếng khoan có kết cấu ống lọc thường được dùng kết hợp

với các biện pháp kiểm soát dòng thấm khác

như tầng phủ chống thấm thượng lưu, khoan

phụt, tường chống thấm,…vv để đảm bảo ổn

định thấm cho công trình thủy công [1]

Dòng thấm tập trung vào trong hệ thống

giếng sẽ giúp làm giảm áp lực nước lỗ rỗng

trong thân và nền công trình, triệt tiêu các

mạch đùn sủi, giảm nguy cơ mất ổn định nền

công trình [2]

Tuy vậy, thực tế quá trình mô phỏng và tính toán dòng thấm dưới nền công trình có

dùng giếng giảm áp vẫn còn nhiều hạn chế

Việc thiết kế hệ thống giếng giảm áp hiện

nay thường dùng kết quả của bài toán

phẳng, chưa phản ánh đúng được bản chất

vấn đề, nhiều trường hợp cho kết quả có độ

tin cậy thấp Mô hình mô phỏng theo bài

toán không gian lại rất phức tạp, cần nhiều

loại số liệu đầu vào với thời gian tính và chi

phí lớn

Nghiên cứu này áp dụng một tính năng mới trong modul SEEP/W [3] của bộ phần

mềm Geostudio.v2019 với nhiều cải tiến so

với các phiên bản trước là chức năng “phân

tích theo mặt bằng” – “plan view analysis” để

phân tích bài toán hạ thấp mực nước ngầm

sau đê đất đồng chất dùng giếng giảm áp

Tính năng này có thể được dùng để tính ảnh

hưởng tương đối của khoảng cách bố trí

giếng đến sự thấm và phân bố áp lực nước lỗ

rỗng trong công trình ngăn nước bằng đất

Cách phân tích theo mặt bằng cũng tương

tự như mô hình hai chiều (2D) Tuy nhiên, sự

khác biệt là mặt phân tích là mặt ngang Phương pháp này coi lưới phần tử hữu hạn nằm trên cạnh của nó thay vì đứng thẳng đứng vuông góc trong một mặt phẳng thẳng đứng Điều này giúp việc mô phỏng sự biến đổi của mặt đo áp gây ra do sự hút hoặc bơm nước trở nên khả thi Ngoài ra, nó cũng cho phép ta định nghĩa các điều kiện biên cho nút tại các vị trí bất kỳ, đây là ưu điểm so với việc

mô phỏng theo mô hình 2D truyền thống

Do đó, nghiên cứu này cung cấp một công

cụ tính toán hữu ích mô phỏng bài toán tính thấm qua đê có giếng giảm áp với chi phí tính toán nhỏ hơn nhiều so với bài toán tính theo

mô hình ba chiều Đây là một công cụ hiệu quả giúp các kỹ sư thiết kế tính và chọn được giải pháp sơ bộ để xác định thông số thiết kế quan trọng là khoảng cách bố trí tối ưu giữa các giếng

2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Thực tế thường yêu cầu lắp đặt một dãy các giếng giảm áp phía hạ lưu đê để đảm bảo

an toàn ổn định thấm, hoặc để hạ thấp mực nước ngầm phía hạ lưu công trình [3] Trong khâu thiết kế, việc xác định được khoảng cách tối ưu giữa các giếng có ý nghĩa quan trọng để đáp ứng các kịch bản làm việc và đảm bảo các tiêu chuẩn về an toàn, kinh tế cho công trình

Nghiên cứu dùng module SEEP/W [3] trong bộ phần mềm Geostudio để tính thấm qua nền SEEP/W được thiết lập trên cơ sở của định luật Darcy cho dòng thấm bão hòa

và không bão hòa:

v = ki

trong đó v – vận tốc thấm Darcy, k – hệ số

thấm và i – gradient thủy lực

Với các mục tiêu đã nêu, nghiên cứu phân tích một đoạn đê đất dài 50m, trên nền đồng

chất dày 10m, hệ số thấm k = 1 × 10-5 m/s

Đê được thi công phía bên trái của mặt bằng

(Hình 1) Mực nước thượng lưu ổn định ở

cao trình 13m Giả thiết các giếng làm việc

bình thường, việc bơm hút nước phía hạ lưu

được tiến hành để đảm bảo rằng mực nước

trong giếng luôn giữ ở cao trình 7m Các

phương án khoảng cách giếng được phân tích

gồm: 5m; 10 m; 25m; 50m và khi không bố

trí giếng Hình 1 thể hiện các kích thước cơ

bản của mô hình tính theo mặt bằng và mô

hình tính theo mặt cắt ngang truyền thống

Hình 1 Mô hình phân tích

theo mặt bằng dùng SEEP/W

3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

Kết quả tính phân bố tổng cột nước thấm khi chưa có giếng và khi các giếng cách nhau

5m được thể hiện trong Hình 2a và 2b Sự

phân bố đều của các đường đồng mức trên

Hình 2a thể hiện giá trị gradient thấm là hằng

số trong toàn miền Ngược lại, trên Hình 2b,

không có đường tổng cột nước thấm nào phía

sau hệ thống giếng tức là không có dòng

thấm trong vùng này Điều này là do toàn bộ

nước thấm qua đê đã được tập trung vào hệ thống giếng

Khoảng cách (KC) bố trí giếng có ảnh hưởng lớn tới lượng nước được thu giữ bởi

hệ giếng Bảng 1 trình bày quan hệ giữa lượng nước thấm qua mặt cắt (MC) đỉnh đê

và mặt cắt ngay sau hệ thống giếng ứng với các khoảng cách bố trí giếng khác nhau

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

(a)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

(b)

Hình 2 Phân bố tổng cột nước thấm khi a)

chưa có giếng và b) giếng cách nhau 5m

Có thể thấy: tổng giá trị của hai mặt cắt lưu lượng trong các trường hợp đều là 120

m3/ngày Sự chênh lệch về giá trị giữa hai mặt cắt chính là lượng nước bị thu giữ bởi hệ thống giếng Do đó, mật độ bố trí giếng càng dày, lưu lượng nước thấm qua đê sẽ càng lớn

Ảnh hưởng của mật độ giếng (KC giếng) tới sự phân bố lại giá trị áp lực nước lỗ rỗng

dọc theo mặt cắt ngang có tung độ Y = 25m

được thể hiện trong Hình 3

Bảng 1 Lượng nước thấm qua MC đỉnh đê

và MC sau hệ thống giếng ứng với các phương án khoảng cách giếng khác nhau

Khoảng cách giếng (m)

Nước thấm qua

MC đỉnh đê (m3/ngày)

Nước thấm qua

MC sau giếng (m3/ngày)

0 60,00 60,00

50 76,23 43,77

25 88,18 31,82

10 104,96 15,04

5 113,44 6,56

Hình 3 Phân bố cột nước áp dọc theo MC

có Y = 25m ứng với các KC giếng khác nhau

Có thể thấy, sự có mặt của giếng giảm áp góp phần làm giảm đáng kể giá trị cột nước

thấm trong nền Mật độ giếng càng dày thì

hiệu quả hạ thấp cột nước áp càng lớn

4 THẢO LUẬN

Theo một số nghiên cứu, kết quả tính theo

mô hình mặt bằng và mô hình 3D cho thấy sự

khác biệt là nhỏ khi môi trường có dòng thấm

chủ yếu theo phương ngang và các điều kiện

biên có tính tương đồng Ở những vị trí có sự

xuất hiện của dòng thấm đứng, các điều kiện

biên có sự khác biệt nhiều, kết quả sẽ có sự

sai khác đáng kể Trong những trường hợp

đặc biệt khi đất nền có nhiều lớp hoặc mặt cắt địa chất phức tạp, mô hình phân tích theo mặt bằng cho kết quả với độ tin cậy thấp

Mô hình tính trong nghiên cứu này và các nghiên cứu trước đây chỉ giả thiết nền đất đồng nhất và có chiều dày không đổi Tuy nhiên, bản mới nhất hiện nay cho phép người dùng có thể

mô phỏng được tương đối chính xác chiều dày của nền thấm nước thông qua việc định nghĩa một hàm số thể hiện sự thay đổi chiều dày nền đất theo không gian giúp làm tăng độ tin cậy và chính xác của kết quả tính

Một nhược điểm nữa của nghiên cứu là chưa xét được ảnh hưởng của yếu tố đường kính giếng tới kết quả tính Đây cũng là hướng

mở cho các nghiên cứu trong tương lai

Kết quả của nghiên cứu này có thể được

mở rộng để xác định khoảng cách bố trí tối

ưu giữa các giếng bằng cách tính thử dần rồi căn cứ vào mục tiêu và yêu cầu cụ thể của công trình để lựa chọn phương án

5 KẾT LUẬN

Mô hình phân tích bài toán thấm qua đê khi

xử lý bằng giếng giảm áp theo mặt bằng trong SEEP/W cho kết quả sơ bộ với độ chính xác có thể chấp nhận được trong giai đoạn thiết kế cơ

sở Kết quả bài toán rất hữu ích trong việc đánh giá ảnh hưởng của mật độ giếng giảm áp đến dòng thấm trong nền đê, đập đất cũng như ảnh hưởng của giếng giảm áp đến sự phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong thân công trình Cần chú ý rằng, mặc dù khắc phục được nhược điểm của các mô hình 2D truyền thống, mô hình phân tích thấm theo mặt bằng không hoàn toàn là bài toán ba chiều

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] TCVN 9157 : 2012 – Công trình thủy lợi – Giếng giảm áp – Yêu cầu thi công và kiểm tra nghiệm thu, Tổng cục đo lường chất lượng [2] TCVN 8413:2010 – Công trình thủy lợi – Vận hành và bảo dưỡng hệ thống giếng giảm áp cho đê, Tổng Cục Đo lường chất lượng [3] Geoslope International Ltd (2019) Seep/W user’s guide for finite element analyses Calgary, Alberta, Canada