NGHIÊN CỨU TÍNH THẤM QUA ĐẬP ĐẤT NHIỀU KHỐI CÓ DẢI LỌC ĐỨNG.

NGHIÊN CỨU TÍNH THẤM QUA ĐẬP ĐẤT NHIỀU KHỐI CÓ DẢI LỌC ĐỨNG.

NGHIÊN CỨU TÍNH THẤM QUA ĐẬP ĐẤT NHIỀU KHỐI CÓ DẢI LỌC ĐỨNG.

STUDYING THE SEEPAGE OF EARTH DAMS WITH VERTICAL DRAINAGE

SVTH: Nguyễn Văn Nhân Lớp: 01X 2 B - Khoa XDTL-TĐ CBHD: GVC.ThS Lê Văn Hợi

TÓM TẮT

Đề tài này nghiên cứu tính thấm qua đập đất nhiều khối có dải lọc đứng bằng phương

pháp Thủy Lực học và phương pháp Phần Tử Hữu Hạn với phần mềm Seep/w trên mô hình đập thực tế Kết quả của hai phương pháp được so sánh để có những kết luận cần thiết, giúp cho việc tính toán thiết kế loại đập này được an toàn và tiết kiệm.

ABSTRACT

Based on the Method hydraulics and the finite element technique with modul Seep/W, this paper studied the seepage of earth dams with vertical drainage The results from two methods has been compared to draw conclusions which are necessary to look for the sensible way of designe of earth dams

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Nam Trung bộ và Tây Nguyên là khu vực có điều kiện tự nhiên khá phức tạp, vật liệu đất đắp đập có nhiều tính chất đặc biệt (trương nở, co ngót , lún ướt, tan rã), là nơi đã xãy ra nhiều sự cố về đập nhất nước ta trong thập niên 80-90 Đã có nhiều hội thảo, nhiều đề tài nghiên cứu khoa học để phân tích nguyên nhân và đề xuất biện pháp khắc phục cho hạng mục đập trong công tác thiết kế , thi công, quản lý vận hành Qua

đó đã đề xuất kết cấu đập vật liệu địa phương hợp lý cho khu vực là đập nhiều khối

Nhằm khắc phục các tính chất đặc biệt của đất đắp đập ở khu vực miền Trung, cho đến nay thì đã có nhiều giải pháp Giải pháp mặt cắt đập nhiều khối được các nhà khoa học, các kỹ sư tư vấn thiết kế đề xuất sau sự cố đập Suối Hành đã được áp dụng khá phổ biến và cơ sở khoa học thiết kế mặt cắt hợp lý của đập nhiều khối có dải lọc cũng đã được các nhà khoa học nghiên cứu đưa ra

Tuy nhiên, một vấn đề nảy sinh khi ra đời loại đập nhiều khối có dải lọc đứng đó

là mô hình hoá sơ đồ và phương pháp tính thấm cho loại đập này hiện tại còn nhiều khó khăn và bất cập, chưa có một quy định thống nhất nhất nào đưa ra về phương pháp tính thấm cho đập đất loại này

Vì vậy “Nghiên cứu tính thấm qua đập đất nhiều khối có dải lọc đứng ” là vấn

đề cần thiết, mang tính thực tiễn cao

1.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Lực học) khi áp dụng đối với loại đập nhiều khối có dải lọc nước trong thân đập

và đề xuất phương pháp tính nên áp dụng cho loại đập này

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Đề tài sẽ đi theo hướng phân tích tính toán cho một mô hình thực tế về loại đập có mặt cắt 3 khối có dải lọc phổ biến hiện nay ở Miền Trung và Tây Nguyên

Trên cơ sở ứng dụng phương pháp Thủy Lực học và phương pháp PTHH để tính thấm xác định 3 đại lượng cơ bản:

1.4 Phạm vi nghiên cứu

trong thân đập

1.5 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Trên cơ sở những kết quả đạt được, đề tài nghiên cứu sẽ đề xuất phương pháp tính thấm thích hợp, an tồn hơn phương pháp Thủy Lực học hiện nay khi áp dụng cho loại đập đất cĩ mặt cắt nhiều khối cĩ dải lọc Loại đập phổ biến ở Miền Trung và Tây Nguyên nước ta

2 TỔNG QUAN

2.1 Đặc điểm loại đập nhiều khối cĩ dải lọc

Hình thức và kết cấu đập gồm cĩ 3 khối chính và, một số bộ phận chống thấm và tiêu nước Một khối, bộ phận đều cĩ chức năng nhiệm vụ khác nhau và được đắp bằng những loại vật liệu đất, đá cĩ những đặc tính khơng giống nhau

Dưới đây là vài thơng số trung bình của vật liệu đắp đập vùng duyên hải Miền Trung:

(KN/m 2 )

 c (T/m 3 )

K (m/s)

A

C

(1:500)

B

cạt loü c

MNTL

MNC

1b

3

18 15 18 15 12 15 22 5 10 10 22 24.5 25

30 40 50 MNHL

Hình 1.1 Mặt cắt điển hình của loại đập nhiều khối cĩ dải lọc đứng

Để kết quả tính tốn được khách quan và mang tính thực tế, trong quá trình tính tốn người nghiên cứu sử dụng mặt cắt và số liệu của đập đất Núi Ngang tỉnh Quảng Ngãi với trường hợp tính tốn như sau:

+ Vật thốt nước làm việc bình thường

+ Nền khơng thấm nước

C B

A H1=25.00

H2=5.50 x

 8.50

5.00

L1=79.70  37.00 L2=63.00

L=179.70

K 3 = 5x10 m/s

45.00

38.60 46.85

25.50

6.5

40.60

32.60

20.00

45.85

1.50

2.60

MNGBT

48.80

-5

K 2 = 1x10 m/s-7 Kdl = 1x10 m/s-3

K 1 = 1x10 m/s -6

K dl = 1x10 m/s-1

Hình 2.1 Mặt cắt thực tế của đập đất Núi Ngang tỉnh Quảng Ngãi.

2.2 Những tồn tại và những vấn đề mà đề tài sẽ giải quyết

Như đã trình bày trong phần mở đầu thì những tồn tại hiện nay là việc chọn một phương pháp thích hợp để giải bài toán thấm cho loại đập nói trên còn chưa thống nhất và

có những quy định chặt chẽ

Đề tài sẽ đi vào phân tích cụ thể bài toán thấm qua loại đập nói trên trên mô hình đập thực tế bằng hai phương pháp phổ biến hiện nay (phương pháp thủy lực và phương pháp PTHH) để đưa ra những nhận định đúng đắn về hai phương pháp này khi áp dụng tính thấm cho loại đập trên

3.1 Các quan niệm về sơ đồ tính thấm bằng phương pháp thủy lực học

- Sơ đồ 1: Ta chỉ tính thấm qua đập gồm có hai khối A,B, không xét phần phía sau

(bỏ qua dải lọc và khối C), hạ lưu có nước, vật thoát nước làm việc bình thường

- Sơ đồ 2: Xem đập như đập ba khối A,B,C trong đó khối B là lõi giữa (Bỏ qua hoàn

toàn dải lọc) Mô hình tính toán đập gồm có : Khôí A, B (lõi giữa), khối C, vật thoát nước

- Sơ đồ 3: Xem dòng thấm sau khi qua hai khối A,B sẽ tập trung hết vào dải lọc thấm

về vật thoát nước dưới dạng dòng thấm có áp Mô hình tính toán đập gồm có : Khối A,

không thấm nước

3.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn vận dụng vào tính thấm

3.2.1 Các loại bài toán biên thường gặp

Trong lĩnh vực kỹ thuật thường hay gặp các loại bài toán biên sau:

Bài toán Dirichlet, Bài toán Neumann và Bài toán hỗn hợp

3.2.2 Định luật Darcy

Việc tính toán thấm cho đất bảo hòa và đất không bão hòa đều tuân theo định luật thấm của Darcy gọi là định luật Darcy:

Trong đó:

- Q : lượng nước thấm qua đất trong một đơn vị thời gian hay gọi là lưu lượng

- k : hệ số thấm (m/s, cm/s)

-

l

h

3.2.3 Phương trình dòng chảy ổn định trong môi trường đất bão hòa nước

Phương trình của dòng nước ngầm chảy ổn định trong môi trường thấm bão hòa trong mặt phẳng hai chiều được viết như sau:

0 q y

h K y x

h K









































(2-3) Trong đó

- h : cột áp thủy lực

- q : lưu lượng tại điểm nguồn hoặc điểm rò, q có giá trị (-) nếu lưu lượng lấy

ra khỏi miền, q có giá trị (+) khi có lưu lượng bổ sung vào miền

3.2.4 Phương trình dòng chảy không ổn định trong môi trường đất bão hòa nước

Phương trình của dòng nước ngầm thấm không ổn định trong môi trường bão hòa nước trong mặt phẳng được viết như sau:

t

h S q y

h K y x

h K



















































Trong đó :

- t : thời gian

w u





-

V

Vw



Như vậy để tính thấm qua đập đất, SEEP/W giải hai phương trình : Thấm ổn định (2-3)

và thấm không ổn định (2-4)

4 QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ

4.1 Quá trình nghiên cứu

- Quá trình thứ nhất: Tiến hành tính toán với phương pháp Thủy Lực bằng những quan niệm về sơ đồ tính khác nhau như đã trình bày tại (III.1)

- Quá trình thứ hai:Tiến hành tính toán bằng phương pháp PTHH với phần mềm Seep/w

4.2 Kết quả nghiên cứu

Các kết quả nghiên cứu được thể hiện trong các bảng và các hình vẽ dưới đây:

Bảng 4-1 Kết quả tính toán lưu lượng thấm qua đập của hai phương pháp

Sơ đồ q tlực (10 -6 m 3 /s) q seep (10 -6 m 3 /s) q(10-6 m 3 /s)

Bảng 4-2 Kết quả tính toán Gradien trong các khối đập của hai phương pháp

Sơ đồ Đoạn trước lõi Đoạn lõi Đoạn sau lõi

J K(TL) J K(S) J K J K(TL) J K(S) J K J K(TL) J K(S) J K

I 0.0606 0.2 0.1394 0.830 1.0 0.17 0.000000 0.7 0.7

II 0.0605 0.2 0.1395 0.824 1.0 0.176 0.004400 0.7 0.6956

III 0.0606 0.2 0.1394 0.830 1.0 0.17 0.000225 0.7 0.69977

MNDBT: +45.50m

CHIEU DAI

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

Hình 4.1 Sơ đồ mô tả Gradien & đường bão hòa trong thân đập khi tính bằng Seep/w

y

H2=5.50

H1=25.00

C

A' B a' a

D

C'

MNGBT

C B

A

Hc = H2

x

Hình 4.2 Đường bão hòa trong thân đập tính bằng phương pháp Thủy Lực (a)

và tính bằng Seep/W (a’) của sơ đồ tính thứ I

a a'

C' B'

D A

C

B

H1=25.00

H2=5.50

y

x

C MNGBT

Hình 4.3 Đường bão hòa trong thân đập tính bằng phương pháp Thủy Lực

và tính bằng Seep/W của sơ đồ tính thứ II.

B' A'

a a'

C'

MNGBT

C B

A

x

y

H2=5.50 H1=25.00

B

C A

D

Hình 4.4 Đường bão hòa trong thân đập tính bằng phương pháp Thủy Lực

và tính bằng Seep/W của sơ đồ tính thứ III.

4.3 Bàn luận kết quả nghiên cứu

- Lưu lượng thấm qua thân đập nhận được qua hai phương pháp chênh lệch rõ rệt

- Lưu lượng thấm nhận được của phương pháp thủy lực nhỏ hơn khi tính bằng

phần mềm Seep/W, điều này là rất nguy hiểm khi đưa vào thiết kế công trình

- Gradien nhận được của phương pháp thủy lực là Gradient trung bình cho các

khối đập đã được biến đổi

- Gradien nhận được từ phương pháp Thủy Lực nhỏ hơn khi tính bằng phần mềm Seep/W khá nhiều, điều này là rất nguy hiểm trong thiết kế

- Đường bão hòa tính bằng phương pháp thủy lực thấp hơn khi tính bằng phần mềm Seep/W Nếu như vẫn sử dụng đường bão hòa của phương pháp Thủy lực để

đi tính ổn định sẽ dẫn đến không an toàn

5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

5.1 Những kết quả đạt được

- Trên cơ sở những kết quả tính toán được thực hiện trên mô hình thực tế và tuân theo những nguyên tắc rất chặt chẽ của các phương pháp tính toán Báo cáo đã đưa ra được những con số chênh lệch giữa các kết quả tính toán của hai phương pháp Thủy Lực học

và sử dụng phần mềm SEEP/W

- Báo cáo cũng đã đưa ra được những mặt tích cực và mặt tồn tại của cả hai phương pháp tính toán khi áp dụng đối với loại đập nhiều khối có dải lọc

- Báo cáo đề xuất được phương pháp tính thấm thích hợp, an toàn và cho kết quả sát thực đối với loại đập nhiều khối có dải lọc đứng, đó là phương pháp PTHH mà cụ thể là sử dụng phần mềm SEEP/W

5.2 Khả năng áp dụng của đề tài vào thực tiễn

- Có nhiều phương pháp để tính toán cho loại đập nhiều khối có dải lọc, song sử dụng phương pháp PTHH với phần mềm SEEP/W để tính toán cho loại đập nhiều khối có dải lọc đứng mang tính khả thi và thực tiễn cao hơn nhiều so với các phương pháp khác.Thực

tế việc sử dụng phần mềm SEEP/W là xu thế lựa chọn hiện nay của các nhà thiết kế

- Kết quả đạt được của báo cáo làm cho chúng ta có một cách nhìn nhận đúng đắn hơn về phương pháp Thủy Lực học khi áp dụng vào tính thấm cho loại đập nhiều khối có dải lọc đứng, loại đập rất phổ biến hiện nay ở khu vực Miền Trung và Tây Nguyên Đồng thời người thiết kế sẽ nhận thấy tin cậy khi sử dụng phần mềm SEEP/W

5.3 Kiến nghị

- Báo cáo xin đề xuất phương pháp tính thấm an toàn cho loại đập nhiều khối có dải lọc, nên dùng phương pháp PTHH

- Báo cáo cũng khuyến cáo các nhà thiết kế nhìn nhận lại phương pháp Thủy Lực học và các phương pháp trong các Quy Phạm hiện nay khi tính thấm cho loại đập này

- Báo cáo xin đề nghị nên có sự nghiên cứu tiếp tục trên các sơ đồ khác nhau để sớm có những quy định rõ ràng về việc tính toán và kiểm tra an toàn cho loại đập nói trên, đặc biệt là vấn đề tính thấm phục vụ cho thiết kế được an toàn và tiết kiệm

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Quy phạm thiết kế đập đất đầm nén QPVN 11:1977

[2] GS.TSKHKT Nguyễn Tài Thủy Lực tập I.

[3] PGS.TS Nguyễn Thế Hùng Thủy Lực Tập I.

[4] Nguyễn Cảnh Cầm và các tác giả Thủy Lực tập III.

[5] Trịnh Bốn Tính Toán Các Công Trình Thủy Lợi Tập I.

[6] D.G.FREDLUN H.RAHARDJO Cơ học đất cho đất không bảo hòa tập I.

[7] PGS.TS Nguyễn Thế Hùng.Phương pháp phần tử hữu hạn trong chất lỏng.

[8] Hoàng Minh Dũng Nghiên cứu cơ sở khoa học thiết kế mặt cắt hợp lý đập

nhiều khối có sử dụng đất trương nở -Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật.