Hướng dẫn tính toán thấm bằng phần mềm SEEP

Giới thiệu SEEP theo cách trình bầy thứ tự từng bước tính toán một bài toán ổn định mái đốc đơn giản. Bằng cách thực hiện từng bước ta có thể định dạng được bài toán và xem kết quả (đường thấm, vectơ thấm, lưu lượng thấm). Sau khi thực hành bài toán này, ta có thể hiểu nhanh chóng toàn cục mọi chức năng và cách sử dụng SEEP

Nội dung giới thiệu SEEP/W

• Khái niệm cơ bản về dòng thấm trong MT đất đá;

• Đặc điểm chung của SEEPW;

• Dòng thấm trong hệ đất bão hoà/không bão hoà:

đường cong đặc trưng Nước - Đất và hàm thấm;

• Những giả thiết cơ bản và phương trình thấm;

• Sử dụng và đặc điểm phần mềm qua giải từng bước một ví dụ đơn giản;

• Minh hoạ tầm quan trọng của dòng không bão hoà;

v u

• Dòng thấm Darcy ⇒ SEEP/W

Tốc độ thấm biểu kiến: v Darcy = ki v Darcy

• Dòng thấm thực ⇒ v thực = v Darcy

Cơ chế và trạng thái dòng thấm trong MT đất đá

1 Dòng thấm từ A đến B do hiệu thế năng ∆h:

2.Tuỳ theo quan hệ giữa v ∼ i dòng thấm:

• Chảy tầng – Laminar flow ⇒ Phần lớn đất;

• chảy rối – Turbulent flow ⇒ Chảy trong đá

nứt nẻ, sỏi cuội, cát rất thô,

3 Tuỳ theo trạng thái của dòng thấm:

• Dòng ổn định – Steady flow ⇒ vectơ tốc

độ dòng thấm không đổi về độ lớn - hướng theo

thời gian tại một điểm hoặc một mặt cắt;

Đặc điểm chung của SEEP/W

• SEEPW là phần mềm giao diện đồ hoạ, 32 bit có thể điều hành trong MT Wins 95/98/NT/2000 và

XP, dùng để mô hình hoá chuyển động của nước

và phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong môi trường

đất đá theo PTHH;

• SEEPW có thể phân tích các bài toán: 1.Dòng

thấm có áp, không áp 2.Ngấm do mưa 3.Thấm từ bồn chứa 4 áp lực nước lỗ rỗng dư 5.Thấm ổn

3 Di chuyển mặt ướt chuyển tiếp qua

đập đất trong khi hồ chứa nước

4.Tiêu tan áp lực nước lỗ rỗng dư trong đập đất khi nước hồ chứa rút

5 sơ đồ của bài thấm

Đường cong đặc trưng Nước - Đất

Độ ẩm dư hay độ bão hoà dư: độ bão hoà thấp nhất khi nước

PT đường cong đặc trưng Đất-Nước

m

n

r

r s

a

h e

h

h h

ư

=

ln

1 1000000

1 ln

1

ln 1

θ θ

Hàm thấm

Có thể dự tính hàm thấm

từ đường cong nước - đất

Đất bão hoà

Saturated Conductivity Porosity Air Entry Value D60 D10

(m/sec) (kPa) (mm) (mm)

3 x 10 -8 0.50 40 0.015 0.001

SÐt bôi – Silt Clay – Function # 14

Green & Corey

PT hàm thấm

PT Campbell (1974)

Chú ý: SEEP/W V.5 đã dùng PP Green & Corey,

Fredlund & Xing và Van Genuchten để tìm hàm thấm

từ đường cong Nước - Đất

( )Ψ Θ

i j

k

2

2 1

2

30

η

ξ η

à

k(Θ)j – HS thấm tính toán đ/v độ ẩm xác định i - áp lực lỗ rỗng âm (cm/min);

ks/ ksc – hệ số phù hợp (giá trị đo/giá trị bão hoà tính toán); i – lớp độ ẩm cuối cùng phía

Cách xác định hàm thấm của SEEP/W

1 Theo công thức của Green & Corey đã biết:

m

j

i

h i

j

1

2

2 1 2

-Dạng hàm thấm phụ thuộc số hạng

- Số hạng là hằng số đối với một hàm đặc biệt và

có thể lấy bằng 1.0 khi xác định dạng của hàm thấm

2

2

30

n g

η à

• SEEP dùng để xác định dạng hàm thấm tại giá trị AS bằng 0;

η à

SÐt C¸t

-Lập lưới các phần tử, xác định các tính chất vật liệu và các

-điều kiện biên

Đây là nhiệm vụ của người sử dụng phần mềm, có tính chất

quyết định tới độ tin cậy của kết quả tính toán.

Các giả thiết cơ bản và phương trình thấm

1 Dòng thấm trong đất BH/KBH tuân theo ĐL Darcy

2 Qvào - Q ra = biến thiên độ ẩm thể tích ∆θ

TH đất bão hoà, Qvào - Q ra = ∆θ = 0 → dòng thấm ổn định;

3.(σ - ua) = 0 → không ảnh hưởng đến ∆θ

Chỉ ( ua – uw) ảnh hưởng đến ∆θ → có nghĩa là chỉ có biến thiên

áp lực nước lỗ rỗng là ảnh hưởng tới ∆θ ( xem đường cong

Q y

H k

y x

H k

H k

y x

H k

C¸c ®iÒu kiÖn biªn

1 ®iÒu kiÖn Dirichtle:

2 ®iÒu kiÖn biªn Neiman :

Giải bài toán thấm bằng PP PTHH

• Chia miền tính toán ra thành các phần tử

tam giác, tứ giác nối với nhau tại các điểm nút Với từng phần tử sử dụng hệ toạ độ địa phương như hình vẽ.

Phần tử chữ nhật

Toạ độ cục bộ - ( r, s ) Toạ độ chung - ( x, y )

Phần tử tam giác

Toạ độ cục bộ - ( r, s ) Toạ độ chung - ( x, y )

• Toạ độ tại mỗi điểm bất kỳ bên trong phần tử x,y

được xác định thông qua toạ độ của các điểm nút

x = <N> {X}

y = <N> {Y}

trong đó: <N> là hàm dạng của phần tử

{X}, {Y} là toạ độ của các điểm nút phần tử

• Cột nước thấm h tại mỗi điểm trong phần tử được

xác định như sau

h = <N> {H}

{H} - cột nước thấm tại các điểm nút

Giải bài toán thấm bằng PP PTHH

N x

N y

T

dA N

q t

H dv

N N

H dv

B C

dA N

q t

H dv

N N

H dv

B C

t

h t

H

∂

∂

= ,

C B

t K

N t

qt Q

Cấu trúc lệnh của DEFINE

SEEP/W dùng thanh thực đơn và các thanh công cụ để điều khiển

• Thanh thực đơn buông (Menu Bar): File, Edit, Set, View, KeyIn,

Draw, Sketch, Modify, tools và help;

Standard Toolbar

Gồm các nút để

thao tác tệp, in, sao

chép

•Thanh công cụ (Toolbar) gồm 5 loại:

- Thanh công cụ chính (Standard Toolbar);

- Thanh công cụ chế độ (Mode Toolbar);

- Thanh công cụ xem ưu tiên (View Preferences Toolbar);

- Thanh công cụ lưới (Grid Toolbar) và Thanh công cụ Zoom

Cấu trúc lệnh của DEFINE

Thanh công cụ chế độ (Mode Toolbar)

Gồm các nút nhập các chế độ thao tác để hiển thị và soạn thảo

đối t−ợng văn bản và đồ thị

Cấu trúc lệnh của DEFINE

Thanh công cụ xem −u tiên (View Preferences Toolbar)

Gồm những nút dùng để hiện – tắt những −u tiên hiển thị

Các bước phân tích cụ thể

• Kiểm tra số liệu.

SOLVE CONTOUR

• Lưu trữ bài toán;

• Phác hoạ bài toán, xác định bài toán,

Ch−¬ng tr×nh DEFINE

Xác định điểm lưới

Set → Grid

Xác định hàm thấm

Edit →

Xác định tính chất vật liệu

KeyIn → Material Properties

LËp l−íi phÇn tö

Draw → Multiple Elements

NhËp ®iÒu kiÖn biªn

Draw → Boundary conditions

NhËp mÆt c¾t tÝnh lưu lưîng

Draw → Flux Sections

Xác định hệ toạ độ

Sketch → Axes

KiÓm tra sè liÖu

Tools → Verify/Sort

Gi¶i bµi to¸n - SOLVE

Xem kÕt qu¶

Hiển thị các đường đẳng thế

Draw → Contours

Dán giá trị của các đường đẳng trị, lưu

lượng thấm tại các mặt cắt

Draw → Flux label

Draw → Contour Labels

Đường thấm - Quỹ đạo của các vectơ thấm

Draw → Flow Paths

In c¸c h×nh vÏ

File → Print

Xem th«ng sè cña c¸c nót vµ phÇn tö

View → Node informations View → Element informations

Vẽ các biểu đồ quan hệ – Cột áp

Draw → Graph

6 m

El = 2 m

14 m

TH cã hµm thÊm

TH kh«ng hµm thÊm:

k = const.

KÕt qu¶ ph©n tÝch C¸c ®−êng viÒn cét n−íc

-4 -2

ổn định thấm trong môi trường đất đá

• Khả năng của SEEP/W: cho trường các yếu tố dòng thấm

- Hệ các đường thấm và đẳng thế;

- Các vectơ thấm;

- Các đường đẳng gradient, biểu đồ gradien tai mặt cắt bất

kỳ;

- Lưu lượng thấm qua bất kỳ mặt cắt nào trong vùng thấm

• Tác động của dòng thấm do lực thấm - J = γw i (kN/m3) - gây ra:

- Gây xói ngầm cơ học dưới đáy CT ⇒ biến dạng thấm;

- Chảy đất, mạch đùn - mạch xủi tại chỗ dòng thấm thoát ra

khi gradient thấm đạt giá trị tới hạn icr TH dòng thấm hướng lên:

- Thấm mất nước hồ chứa hay nước chảy vào hố móng ảnh

Ví dụ minh hoạ khả năng của SEEP/W V.5

11

1 1.5

1

2

1 2.5

15

Hệ đường thấm vectơ thấm và đẳng thế

0.05

0.05

0.1 0

.1

0 1

5 0

.1

0 2

d/2

Phù hợp TN của R.F Craig, 1995

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

0.0

0.1

0

0

0 15

2

4

2 4.5

2 5.5

30

Hệ đường thấm, đẳng thế, vectơ thấm

ressure Head vs Y

Pressure Head 0

5 10 15 20

• Kh«ng dïng hµm thÊm cã thÓ dÉn tíi kÕt qu¶ sai vÒ lưu lưîng vµ hÖ ®ưêng thÊm – trưêng hîp dßng kh«ng b·o hoµ;

phân tích thấm không ổn định

• Thấm không ổn định có các thông số dòng thấm thay đổi theo thời gian → kết quả tính toán là các thông số dòng thấm tại từng thời điểm

→ Lưới phần tử : như bài toán thấm ổn định

→ Điều kiện biên : Thay đổi theo thời gian

→ chứa nước thể tích của đất với áp lực nước lỗ rỗng

→ Thời điểm tính toán.

Biến đổi vị trí mặt ướt theo thời gian

sau khi hồ chứa đầy nước

2 4 6

Bước thời gian#

Biến đổi vị trí mặt thoáng theo thời

gian sau khi hồ chứa rút nước

C¸c vect¬ dßng thÊm trong khi

¸p lùc n−íc lç rçng d− tiªu tan

Một số kết luận

• SEEP/W có thể tích hợp với:

- SLOPE/W: xét áp lực lỗ rỗng khi phân tích ổn định mái dốc;

- CTRAN/W: phân tích vận chuyển vật ô nhiễm;

- SIGMA/W: xét bài toán cố kết thấm;

- QUAKE/W: xét ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình động đất;

• SEEP/W có thể cho trường các yếu tố dòng thấm

giúp cho việc phân tích các bài toán ổn định thấm

thuận tiện và nhanh chóng;

• GEO-SLOPE International đã phát hành Seep 3D và VADOSE/W – Phân tích dòng bốc hơi 2D;

65KÕt thóc SEEP/W