nghiên cứu lựa chọn kết cấu hợp lý bảo vệ mái đê sông có độ dốc lớn ở quảng ninh

Nhưng những tác hại mà hồ Hoà Bình gây ra cho hạ lưu cũng không phải là nhỏ, đó là sự thay đổi rõ rệt về chế độ dòng chảy trên sông Đà cả về mùa kiệt lẫn mùa lũ làm cho diễn biến sạt lở

LỜI CAM ĐOAN Kính gửi: Khoa Công trình

Tên tác giả: Phạm Văn Long

Học viên cao học: CH19C21

Người hướng dẫn: PGS – TS Nguyễn Quang Hùng

Tên đề tài Luận văn: “Nghiên cứu lựa chọn kết cấu hợp lý bảo vệ mái đê sông có độ dốc lớn ở Quảng Ninh”

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các thông tin, tài liệu trích dẫn trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc Kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Văn Long

Tác giải xin trân trọng cảm ơn các thầy cô Trường Đại học Thủy lợi; đặc biệt là các cán bộ, giảng viên khoa Công trình, phòng Đào tạo đại học và sau đại học đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành bản luận văn này Đặc biệt tác giả xin trân trọng cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS-TS Nguyễn Quang Hùng đã hết lòng ủng hộ và hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong hội đồng khoa học đã đóng góp những ý kiến và lời khuyên quý giá cho bản luận văn

Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Chi cục Thủy lợi Quảng Ninh, phòng Quản lý công trình – Sở NN&PTNN tỉnh Quảng Ninh đã quan tâm tạo điều kiện thuận lợi hỗ trợ, giúp đỡ tác giả trong việc thu thập thông tin, tài liệu trong quá trình thực hiện luận văn

Xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã thường xuyên chia sẻ khó khăn và động viên tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để có thể hoàn thành luận văn này

Xin trân trọng cảm ơn./

Hà Nội, tháng 08 năm 2013

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Văn Long

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI DỐC THƯỢNG

LƯU ĐÊ SÔNG 1 

1.1 Tổng quan về đê sông ở Việt Nam và ở vùng Quảng Ninh 1 

1.2 Cơ chế gây sụt trượt mái bờ sông 6 

1.2.1 Trồng cỏ 12 

1.2.2 Kè lát mái bằng đá lát khan 13 

1.2.3 Kè lát mái bằng đá xây, đá chít mạch 14 

1.2.4 Kè mỏ hàn chống xói lở bờ sông bằng ốngbuy đổ đá hộc 15 

1.2.5 Kè lát mái bê tông bảo vệ mái 16 

1.2.6 Sự hư hỏng của tường đá xây 18 

1.2.7 Cừ thép bảo vệ mái 18 

1.3 Tình hình hư hỏng đê hàng năm 19 

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA NGHIÊN CỨU BẢO VỆ MÁI SÔNG 22 

2.1 Cơ sở khoa học trong nghiên cứu thấm ổn định trong đê và mái sông 22 

2.2 Cơ sở khoa học trong nghiên cứu thấm qua đê trong trường hợp lũ rút 24 

2.3 Giải bài toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn 29 

2.3.1 Trình tự giải bài toán bằng phương pháp PTHH 29 

2.3.2 Giải bài toán thấm bằng phương pháp PTHH: 31 

2.3.3 Đường bão hòa của đê đất đồng chất khi mực nước hạ thấp 32 

2.4 Cơ sở khoa học trong nghiên cứu ổn định đê trong trường hợp ngâm lũ 35  2.4.1 Phương pháp tính toán trượt cung tròn 35 

2.4.2 Phương pháp tổng ứng lực 36 

2.4.3 Phương pháp ứng lực hữu hiệu 36 

2.5 Cơ sở khoa học trong nghiên cứu ổn định đê trong trường hợp lũ rút 37 

nhanh) 38 

2.6.1 Nguyên lý chung 38 

2.6.2 Những giả thiết chung của phương pháp 39 

2.7 Kết luận chương: 45 

CHƯƠNG III: LỰA CHỌN CÁC KẾT CẤU BẢO VỆ KÈ PHÙ HỢP CHO KÈ SÔNG KA LONG 46 

3.1 Giới thiệu công trình 46 

3.1.1 Tên, vị trí và phạm vi xây dựng công trình 46 

3.1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ công trình 46 

3.1.3 Quy mô hạng mục công trình 46 

3.2 Các điều kiện tự nhiên tác động tới kết cấu công trình 47 

3.3 Bài toán nghiên cứu 47 

3.3.1 Hình thức kết cấu 47 

3.3.2 Chỉ tiêu cơ lý tính toán 49 

3.3.3 Các tổ hợp lực dùng trong tính toán 49 

3.4 Kết quả nghiên cứu 50 

3.5 Phần mềm sử dụng trong toán 52 

3.6 Phân tích hệ số ổn định của kè trong điều kiện rút nước 52 

3.6.1 Xét sự thay đổi K ~ t của phương án 1 52 

3.6.2 Xét tốc độ suy giảm K ~ t của phương án 1 57 

3.6.3 Xét sự thay đổi K ~ t phương án 2 62 

3.7 So sánh hệ số ổn định hai phương án kết cấu : 66 

3.8 Kết luận chương 72 

KẾT LUẬN 73 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 

Hình 1.1: Bản đồ hệ thống đê điều lưu vực sông Hồng 3

Hình 1.2: Tỉnh Quảng Ninh 6

Hình 1.3 Trồng cỏ bảo vệ mái đê, mái sông 13

Hình 1.4 Lát mái bằng đá khan 14

Hình 2.1: Dòng chảy ngầm trong đê 22

Hình 2.2: Sơ đồ biểu thị định luật bảo toàn khối lượng cho dòng thấm không ổn định 24

Hình 2.3: Biểu đồ quan hệ giữa hệ số thấm và áp lực kẽ rỗng 28

Hình 2.4: Rời rạc hóa miền xác định 30

Hình 2.5: Tính toán đường bão hòa khi mực nước hạ xuống 35

Hình 2.6: Tính toán theo phương pháp trượt cung tròn 35

Hình 2.7: Sơ đồ chia lát tính toán ổn định 40

Hình 3.1: Sơ đồ kết cấu phương án 1 47

Hình 3.2: Sơ đồ kết cấu phương án 2 48

Hình 3.3: Sơ đồ và kết quả tính toán ổn định tổng thể, tổ hợp lực cơ bản PA1 50

Hình 3.4 : Sơ đồ và kết quả tính toán ổn định tổng thể, tổ hợp lực cơ bản PA2 51

Bảng 2-1: Các giả thiết của một số phương pháp đại biểu 42

Bảng 3.1: Kết quả nghiên cứu hệ số ổn định K với các tổ hợp lực 50

Bảng 3.2: Kết quả K theo thời gian 52

Bảng 3.2 Kết quả K theo thời gian 54

Bảng 3.3 Kết quả K theo thời gian 56

Bảng 3.4 Kết quả K theo thời gian 57

Bảng 3.5Kết quả K theo thời gian 59

Bảng 3.6Kết quả K theo thời gian 61

Bảng 3.7 : Kết quả K theo thời gian 62

Bảng 3.8 Kết quả K theo thời gian 63

Bảng 3.9Kết quả K theo thời gian 65

Biểu đồ 3.1: Quan hệ K ~ t mái trên, phương án 1 53  Biểu đồ 3.2 Quan hệ K ~ t mái dưới, phương án 1 54 

Biểu đồ 3.3 Quan hệ K ~ t tổng thể mái phương án 1 56 

Biểu đồ 3.4: Quan hệ Tốc độ suy giảm K ~ t kè cấp kè cấp 2 phương án 1 58 

Biểu đồ 3.5:Quan hệ Tốc độ suy giảm K ~ t mái dưới phương án 1 59 

Biểu đồ 3.6: Quan hệ Tốc độ suy giảm K ~ t tổng thể phương án 1 61 

Biểu đồ 3.7: Quan hệ K ~ t mái trên của phưong án 2 63 

Biểu đồ 3.8 : Quan hệ K ~ t mái dưới của phưong án 2 64 

Biểu đồ 3.9: Quan hệ K ~ t tổng thể của phưong án 2 65 

Biều đồ 3.10: Quan hệ K ~ t mái trên hai phưong án v= 3 66 

Biều đồ 3.11 : Quan hệ K ~ t mái dưới hai phưong án v= 3 67 

Biều đồ 3.12 Quan hệ K ~ t tổng thể hai phưong án v= 3 68 

Biều đồ 3.13: Quan hệ K ~ t mái trên hai phưong án v= 4 69 

Biều đồ 3.14: Quan hệ K ~ t mái dưới hai phưong án v= 4 69 

Biều đồ 3.15: Quan hệ K ~ t tổng thể hai phưong án v= 4 70 

Biều đồ 3.17: Quan hệ K ~ t mái dưới hai phưong án v= 5 71  Biều đồ 3.18: Quan hệ K ~ t tổng thể hai phưong án v= 5 71 

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI DỐC

THƯỢNG LƯU ĐÊ SÔNG

1.1 Tổng quan về đê sông ở Việt Nam và ở vùng Quảng Ninh

Ở miền Bắc có hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình, miền Trung có hệ thống sông Mã, sông Cả, sông Vu Gia Thu Bồn, sông Vệ, sông Trà Khúc, sông Côn, sông Ba, sông Cái Nha Trang; miền Nam có sông Đồng Nai, sông

Bé, sông Cửu Long Các hệ thống sông này hàng năm đã cung cấp cho chúng ta nguồn nước quí giá để phục vụ đời sống con người và phát triển nền kinh tế quốc dân Lợi ích mà các hệ thống sông này đem lại là vô cùng to lớn, nhưng tác hại do lũ lụt từ các hệ thống sông này gây ra cho cho con người và nền kinh tế quốc dân cũng không phải là nhỏ

Từ thủa xa xưa cha ông ta đã biết đắp đê ngăn lũ dọc theo các dòng sông để hạn chế lũ lụt do chúng gây ra đối với các cư dân sinh sống ở dọc 2 bên sông Một trong những công trình ngăn lũ tiêu biểu đã được xây dựng từ

xa xưa còn tồn tại đến ngày nay đó là hệ thống đê sông Hồng Ngày nay trong công cuộc xây dựng đất nước, Nhà nước tiếp tục đầu tư xây dựng các công trình phòng chống lũ, trong đó chú trọng đến kiên cố hệ thống đê sông, đê biển nhằm giảm nhẹ thiên tai do lũ lụt gây ra

Đồng bằng sông Hồng là vùng kinh tế quan trọng của cả nước Trong vùng

có hệ thống đê sông Hồng và sông Thái Bình là 2 hệ thống đê sông chống

lũ quan trọng với tổng chiều dài gần 2.400km, chiều cao đê đến nay đã được tu bổ nâng cấp, với chiều cao trung bình từ 6m đến 11m, đê chủ yếu đắp bằng đất

Lũ sông Hồng chịu ảnh hưởng trực tiếp từ lũ sông Đà, lũ sông Thao và lũ sông Lô Trên sông Đà hiện nay có thuỷ điện Hoà Bình, đây là công trình ngoài tác dụng cấp điện cho miền Bắc nó còn là công trình cắt lũ có ý nghĩa quan trọng cho sông Hồng Thực tế cho thấy những năm trước đây chưa có nhà máy thuỷ điện Hoà Bình, về mùa lũ, mực nước sông dâng cao, chúng ta không thể kiểm soát được vì vậy đê sông Hồng thường xuyên bị uy hiếp Từ khi nhà máy thuỷ điện Hoà Bình đi vào hoạt động, lũ trên sông Hồng đã giảm đáng kể do lũ sông Đà đã bị cắt Đây là yếu tố tích cực mà hồ Hoà Bình đem lại Nhưng những tác hại mà hồ Hoà Bình gây ra cho hạ lưu cũng không phải

là nhỏ, đó là sự thay đổi rõ rệt về chế độ dòng chảy trên sông Đà cả về mùa kiệt lẫn mùa lũ làm cho diễn biến sạt lở bở sông trên sông Đà cũng như sông Hồng đang diễn ra ngày càng phức tạp, hàng trăm ha đất, nhà của dân dọc hai

Từ đó nhân dân Việt Nam vì bảo vệ cuộc sống của mình đã không ngừng đắp to, nâng cao và khép kín các tuyến đê sông, đê biển

Đến nay, Việt Nam có gần 8000km đê, trong đó có gần 6000km đê sông và 2000km đê biển Riêng đê sông chính có 3000km và 1000km đê biển quan trọng Có gần 600 kè các loại và 3000 cống dưới đê Ngoài ra còn có

500 km bờ bao chống lũ sớm, ngăn mặn ở đồng bằng sông Cửu Long

Riêng hệ thống sông Hồng trong đồng bằng Bắc Bộ có 3000km đê sông

và 1500 km đê biển

Hình 1.1: Bản đồ hệ thống đê điều lưu vực sông Hồng

Ở bắc miền Trung có hệ thống đê sông Mã với chiều dài hàng trăm km, chiều cao đê đến trung bình từ 5m đến 10m, đê đắp bằng đất Hệ thống đê sông này cũng góp phần chống lũ quan trọng cho vùng đồng bằng của tỉnh Thanh Hoá với hàng triệu dân sinh sống

Hệ thống sông Cả, sông La là những sông lớn trong khu vực Nghệ An, Hà Tĩnh Các sông này hiện tại ở thượng nguồn chưa có hồ chứa cắt lũ, dòng sông ngắn, lòng sông dốc cho nên hàng năm lũ tập trung về hạ lưu rất nhanh gây ra thiệt hại lớn cho hạ du Hiện tại trên hệ thống sông Cả, sông La đã có các tuyến đê bao để chống lũ Hệ thống đê của các sông này được đắp bằng đất chất lượng đắp nhiều đoạn chưa đảm bảo, điều kiện địa hình, địa chất của

tuyến đê, tuyến sông phức tạp chế độ chảy của dòng sông luôn biến động đây là nhưng nguy cơ tiềm ẩn đến sự an toàn của các tuyến đê

Các hệ thống sông của miền Nam trung bộ và miền Nam hiện nay hầu hết chưa có đê bao bảo vệ Vì vậy hàng năm về mùa lũ lụt, lũ ở thượng nguồn đổ

về với lưu lượng lớn, các hệ thống sông này không tải hết lưu lượng lũ cho nên nước lũ đã chảy tràn ra hai bên gây ngập toàn bộ vùng hạ lưu sâu từ 1m đến 3m, cục bộ có nơi sâu đến 4m Lũ lụt miền trung do các hệ thống sông lớn gây ra hàng năm làm thiệt hại tính mạng và tài sản của nhân dân và nhà nước hàng ngàn tỷ đồng mỗi năm Đây là vấn đề lớn về công tác phòng chống

lũ lụt cho khu vực miền trung mà các nhà khoa thuỷ lợi nói tiêng và các nhà khoa học trong cả nước nói chung đang nghiên cứu để đưa ra những giải pháp

tối ưu

Hệ thống đê điều Tỉnh Quảng Ninh

Quảng Ninh là một tỉnh ở địa đầu Ðông Bắc Việt Nam, nằm giữa các kinh độ đông 106º26’-108º31’3’’ và các vĩ độ bắc 20º40’-21º40’, khoảng dài nhất từ đông sang tây là 195km, từ bắc xuống nam là 102km

Phía bắc giáp Quảng Tây (Trung Quốc) với đường biên giới dài 132,8km

và tỉnh Lạng Sơn

Phía Tây giáp Bắc Giang, Hải Dương,

Phía Nam giáp Hải Phòng

Phía Đông Nam giáp biển Ðông với 250km bờ biển

Là một tỉnh miền núi duyên hải, Quảng Ninh có 80% diện tích đất đai là đồi núi Hơn 2.000 hòn đảo nổi trên mặt biển phần lớn đều là núi, với tổng diện tích là 620km²

Quảng Ninh là một trong các tỉnh ở vùng Đông Bắc bộ có điều kiện địa phức tạp diện tích toàn tỉnh phần lớn là đồi núi, phần còn lại là vùng đồng

bằng và đồng bằng duyên hải Quảng Ninh có lượng sông suối khá lớn, mật

độ trung bình biến đổi từ 1 đến 1,9 km/km2 , có nơi tới 2,4 km/km2 Các sông lớn là sông Ka Long, Sông Tiên Yên, Sông Phố Sông Ba Chẽ , sông Diễn Vọng, Sông Bạch Đằng, sông Đông Mai, sông Đá Bạc, sông Đá Vách, Sông Mạo Khê, Sông Chanh Ngoài ra còn có các con sông khác như sông Hà Cối, sông Đầm Hà, sông Trới, sông Míp, sông Uông, sông Đạm, sông Cầm Đặc điểm chung của các sông trên đều nhỏ và ngắn, độ dốc lớn Do đặc điểm đồi núi dốc nên khả năng tập trung nước về mùa lũ rất nhanh Lưu lượng và lưu tốc dòng chảy rất khác biệt giữa mùa lũ và mùa khô Mùa khô, các sông cạn nước, có sông cạn trơ ghềnh đá nhưng mùa hạ lại ào ào thác lũ, nước dâng cao rất nhanh Lưu lượng mùa khô 1,45 m3/s, mùa mưa lên tới 1500 m3/s, chênh nhau 1.000 lần Do đó các tuyến đê, kè thường xuyên hư hỏng, nhất là

về mùa lũ

Hình 1.2: Tỉnh Quảng Ninh 1.2 Cơ chế gây sụt trượt mái bờ sông

Cơ chế sạt trượt mái tự nhiên bờ sông

Nguyên nhân gây sạt trượt mái tự nhiên của bờ sông rất nhiều Tuy nhiên có thể tổng hợp theo hai nguyên nhân chính

Nguyên nhân thứ nhất là do chế độ dòng chảy thủy lực thay đổi dẫn đến bùn cát lòng sông bị vận chuyển đi nơi khác dẫn đến sự tạo thành các

hố xói cục bộ Chính những hố xói cục bộ này đã có tác động trực tiếp đến sự mất ổn định của mái bờ sông (sự sạt lở được phát triển từ dưới chân mái đê, mái sông phát triển lên) Điều này được thể hiện rõ ràng

nhất trong hiện tượng dòng chảy vòng hướng ngang phát triển mạnh mẽ trong đoạn sông cong

Sự phát triển dòng chảy vòng hướng ngang đã làm cho bờ lõm càng ngày càng dốc và dẫn tới sạt trượt và lõm thêm, bờ lồi càng ngày càng được bồi và dẫn tới lồi thêm Chính sự thay đổi hình thái bờ này

đã làm cho chế độ thủy lực hạ lưu sông thay đổi và dấn tới sự thay đổi hình thái bờ sông ở đoạn kế tiếp Hình 2.1 Sự phát triển hố xói cục bộ dẫn đến mất ổn định mái đê, mái sông

1 Đoạn bồi cạn; 2 Vực; 2-1-2-1-2 Tuyến lạch; 3 Bãi bồi

Nguyên nhân xói lở này cũng chính là nguyên nhân gây ra xói lở tại một số bờ sông biên giới trong đó có sông Ka Long - Móng Cái - Quảng Ninh

Nguyên nhân thứ hai là do sự mất cân bằng cục bộ ngay tại mái bờ sông Điều này được thể hiện ở sự gia tăng khả năng gây trượt và giảm nhỏ khả năng chống trượt Chính sự mất cân bằng này đã dẫn đến những phá hoại mái bờ sông như sạt lở, trượt bờ sông Sự mất cân bằng này có nhiều nguyên nhân như : tác động của sóng gió, tàu bè qua lại…

Những nhân tố làm tăng các lực gây trượt mái có thể tổng kết như sau:

- Tác dụng của dòng thấm như ảnh hưởng của mưa kéo dài làm đất bão hòa nước, giảm khả năng chống trượt

- Quá trình lũ rút nhanh

- Tác dụng của áp lực sóng

- Chất tải lên mép bờ sông

Tác dụng của dòng thấm ảnh hưởng đến an toàn mái đê, mái sông

Hình 2.3 mặt trượt của mái đê,

mái sông

Rõ ràng nhận thấy trằng : trong trường hợp hình 2.3.a mái đê, mái sông mất ổn định do mái quá dốc và vượt quá mái cân bằng tự nhiên của vật liệu địa phương Trong trường hợp hình 2.3.b là sự mất ổn định do các thành phần lực gây trượt lớn lơn khả năng chống trượt của mái đê, mái sông Luận văn tập trung đi sâu nghiên cứu vào cơ chế mất ổn định mái dưới tác dụng của

nguyên nhân này

Khi kiểm tra khả năng an toàn chống trượt trụ tròn của mái bờ sông , có nhiều phương pháp để nghiên cứu Tuy nhiên các phương pháp này đều là dẫn suất của công thức kiểm tra ổn định mái chung như sau:

c t

∑Mc - tổng các mô men chống trượt đối với tâm O;

∑Mt - tổng các mô men gây trượt đối với tâm O;

[K] - hệ số an toàn chống trượt cho phép, phụ thuộc cấp bậc của công trình, xác định theo quy phạm

Hình 2.4 Sơ đồ kiểm tra ổn định cung trượt trụ tròn mái đê, mái sông Với việc phân tích lực như trên sơ đồ hình 2.4 , công thức xác định hệ

Nn, Tn là các thành phần phân tích lực của trọng lượng dải đất Gntheo các phương pháp và tiếp tuyến với cung trượt

φn,Cn là góc ma sát trong và lực dính đơn vị của vật liệu tại đáy dải

Ω1, Ω2 là diện tích các vùng thấm

Tác động của dòng thấm dâng cao dưới tác động của quá trình mưa kéo dài đã làm đất bão hòa và gia tăng trọng lượng và gây bất lợi đối với khả năng chống trượt của mái Điều này được thể hiện rõ trong

Như vậy thấy rõ ràng rằng với nguyên nhân gây mất ổn định mái như

đã nêu ở trên: dưới tác dụng của quá trình mưa kéo dài làm đất bão hòa nước, diện tích vùng thấm tăng cao (Ω1, Ω2 tăng lên) đã làm thành phần dưới mẫu

số trong công thức (2.2) tăng lên Không những thế các chỉ tiêu cơ lý của đất (φ,c) giảm nhỏ dẫn tới hệ số ổn định K giảm nhỏ Điều này có nghĩa là khả năng chống trượt giảm nhỏ

Tác dụng của dòng thấm rút nhanh đến an toàn mái đê, mái sông

Đối với mái thượng lưu (bờ sông), khi mực nước trong sông dâng cao,

áp lực thấm có tác dụng tăng thêm ổn định Khi nước trong sông rút, nước trong mái đê, mái sông có thể thoát ra phía sông và có tác dụng bất lợi cho điều kiện ổn định mái đê, mái sông Dựa vào tốc độ hạ thấp của mực nước sông, người ta phân ra hai trường hợp: nước rút từ từ và nước rút đột ngột Mỗi trường hợp có tác dụng khác nhau đối với ổn định của mái đập

Nếu mực nước sông hạ thấp từ từ, đường bão hoà cũng xuống theo Khi đất mà nước vừa thoát còn ở trạng thái ướt có trọng lượng riêng lớn Trong công thức tính ổn định, ta thấy có một phần đất trước kia chịu lực đẩy nổi, giờ đây ở trạng thái ướt Bộ phận đất ướt này lại nằm ở phần trên cao trong những tính toán có αo > φ Vì vậy sẽ làm tăng mô men trượt nhanh hơn so với mô men chống trượt và do đó tác dụng làm giảm ổn định của mái đê, mái sông bờ sông

Khi mực nước sông rút nhanh, nước trong những kẽ rỗng của đất thoát không kịp, do đó hình thành dòng thấm chảy về phía sông Trong trường hợp này lực thấm sẽ có tác hại, làm mất ổn định mái

Hình 2.5 Ảnh hưởng của dòng thấm rút nhanh đến ổn định mái đê, mái sông

Tuy nhiên với đặc điểm lũ của sông Mêkông đoạn chảy qua vương quốc CamPuchia có đặc điểm lên xuống từ từ nên ở đây tác động do mực nước rút nhanh là không được đặt ra để nghiên cứu

Tác dụng của sóng

Tác dụng của sóng leo Tác động của sóng vỗ

Hình 2.5.a Ảnh hưởng của sóng tới mái đê, mái sông

Trên hình 2.5.a thể hiện rõ tác động của sóng vỗ vào mái đê, mái sông Chính sự tiêu tán năng lượng sóng trên mái sẽ phá hoại cục bộ mái, tải trọng sóng đã làm mái đê, mái sông xảy ra chuyển vị lớn và mái đê, mái sông dần bị xói lở

Hình 2.5.b Mái đê, mái sông xảy ra chuyển vị lớn dưới tác dụng của sóng

Tác dụng của chất tải trên mái đê, mái sông

Trên hình 2.4 nhận thấy rõ ràng rằng khi chất tải trên mái đê, mái sông, thành phần lực này đã truyền xuống đáy cung trượt và làm tăng khả năng gây trượt tương tự như trường hợp gia tăng trọng lượng do đất bão hòa nước gây ra Tuy nhiên tác dụng của tải trọng này thường chỉ là tải trọng tức thời trong thời gian ngắn

Cơ chế gây sạt trượt mái khi có công trình bảo vệ

1.2.1 Trồng cỏ

Trồng cỏ để bảo vệ chống xói mái đê, mái sôngđược sử dụng từ lâu

và khá phổ biến trên các tuyến đê sông ở Việt Nam Trồng cỏ là hình thức kết cấu đơn giản thân thiện với môi trường Cỏ trồng trên mái đê, mái sông

để cỏ và bộ rễ tạo thành lớp bảo vệ chống xói bề mặt đê Ngày nay để tăng khả năng bảo vệ mái đê, mái sôngcỏ được trồng trong ô được chia ra bởi các khối xây Nhìn chung giải pháp tạo thảm cỏ được đánh giá là hiệu quả

và là giải pháp được sử dụng từ lâu vì lá cỏ, rễ cỏ đều có tác dụng chống xói bề mặt đê khi có dòng chảy tràn Tuy nhiên, lớp cỏ bảo vệ chỉ chịu được tốc độ xói bề mặt nhất định

Hình 1.3 Trồng cỏ bảo vệ mái đê, mái sông 1.2.2 Kè lát mái bằng đá lát khan

Đá hộc với kích thước xác định nhằm đảm bảo ổn định dưới tác dụng của sóng và đẩy nổi của nước, dòng chảy Đá được xếp chặt theo lớp để bảo

vệ mái Với loại kè này thường có một số biểu hiện hư hỏng do lún sụt, chuyển vị xô lệch, dồn đống trong khung bê tông cốt thép Hình thức này đã được sử dụng ở hầu hết các địa phương, vật liệu hay dùng là đá hộc có kích thước trung bình mỗi chiều khoảng 0,25m - 0,30m

Ưu điểm của hình thức này: Khi ghép chèn chặt làm cho mỗi viên đá hộc được các viên khác giữ bởi bề mặt gồ ghề của viên đá, khe hở ghép lát lớn sẽ thoát nước mái đê, mái sôngnhanh, giảm áp lực đẩy nổi và liên kết mềm dễ biến vị theo độ lún của nền Về mặt kỹ thuật thì thi công và sửa chữa

dễ dàng

Hình 1.4 Lát mái bằng đá khan

Nhược điểm: Khi nền bị lún cục bộ các liên kết do chèn bị phá vỡ, các hòn đá tách rời nhau ra Khe hở giữa các hòn đá khá lớn, dưới tác dụng lâu dài của dòng chảy sẽ thúc đẩy hiện tượng trôi đất nền tạo nhiều hang hốc lớn, sụt sạt nhanh, gây hư hỏng đê

1.2.3 Kè lát mái bằng đá xây, đá chít mạch

Hình thức này đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều địa phương Kè lát mái bằng đá xây, đá chít mạch khắc phục được một số nhược điểm của biện pháp bảo vệ mái bằng kè lát mái bằng đá lát khan Hình thức này liên kết các viên

đá lại với nhau thành tấm lớn đủ trọng lượng để ổn định, đồng thời các khe hở giữa các hòn đá được bịt kín, chống được dòng xói ảnh hưởng trực tiếp xuống nền

Nhược điểm: Khi làm trên nền đất yếu, lún không đều sẽ làm cho tấm lớn đá xây, đá chít mạch lún theo tạo vết nứt gẫy theo mạch vữa, dưới tác động của dòng chảy trực tiếp xuống nền và dòng thấm tập trung thoát ra gây mất đất nền gây lún sập kè nhanh chóng

1 Hình thức bảo vệ mái bằng rọ đá xếp dọc bảo vệ mái

Hình 2.6 Hư hỏng rọ đá bảo vệ mái Hình 2.7 Hư hỏng kè mỏ hàn tại ngã

ba sông

Sự hư hỏng của lớp rọ đá bảo vệ mái được thể hiện ở ở hình 2.6 là hư hỏng xảy ra do nguyên nhân tách dòng chảy trong sông Sự hư hỏng này chủ yếu là do biện pháp bảo vệ mái chưa hoàn thiện Công trình bảo vệ mới chỉ chủ ý đến phần công trình nổi phía trên mái Chính sự gia tải trên mái mà không chú ý gia cố chân mái đã dẫn đến hiện tượng lún sụt không đều Hơn nữa , dưới tác dụng của dòng chảy cũng như ảnh hưởng của nền dưới lòng sông không ổn định nên đã dẫn đến hiện tượng lún sụt của mái rọ đá Các rọ

đá bị phá hoại chủ yếu do biến dạng quá lớn

1.2.4 Kè mỏ hàn chống xói lở bờ sông bằng ốngbuy đổ đá hộc

Hình 2.7 thể hiện sự hư hỏng của hệ thống kè mỏ hàn tại ngã ba sông

Kè mỏ hàn này được xây dựng nhằm bảo vệ cục bộ khi phân tách dòng chảy trong sông Tuy nhiên do nghiên cứu tình hình thủy văn không đầy đủ cũng như việc tính toán các công trình chỉnh trị không đồng bộ nên đã dẫn tới sự

hư hỏng công trình Việc sử dụng kết cấu có dạng các ống buy trong có đổ đá hộc đã phát huy được tính ưu việt của kết cấu mềm có độ biến dạng cao trong công trình bảo vệ Tuy nhiên do sử dụng các ống buy tròn nên diện tích tiếp xúc giữa các ống buy với nhau không lớn, tính ổn định của các ống buy không cao nên dưới tác dụng của dòng chảy, các ống buy đã mất ổn định theo

cơ chế từ ngoài vào trong Điều này đã được thể hiện rõ trong nhiều nghiên

cứu gần đây của các nhà khoa học việt nam trong các công trình bảo vệ bờ sông, biển trong nước Tuy nhiên khi thay thế các ống buy tròn bằng các ống buy lục lăng cũng như tăng kích thước của ống buy lục lăng theo chiều thẳng đứng lên 2-3m thì mức độ ổn định đã tăng lên đáng kể Những kết quả nghiên cứu này đã được thực tế chứng minh tại các vùng cửa sông Nhật Lệ, cửa sông tại bãi biển Thiên Cầm…

1.2.5 Kè lát mái bê tông bảo vệ mái

Sự hư hỏng của kè lát mái bê tông chủ yếu tập trung ở 2 dạng chính: mất ổn định cục bộ và mất ổn định tổng thể

Ở dạng thứ nhất : Thân kè không đảm bảo điều kiện ổn định cục bộ, các cấu kiện kè bị xê dịch với nhau và có chuyển dịch so với lớp lọc mái kè hoặc là sự mất ổn định của lớp lọc dẫn đến mất ổn định của mái kè

Ở dạng thứ hai : kè mất ổn định tổng thể Ở dạng này có hai hình thức chủ yếu là : mất ổn định cùng với mái đê, mái sông thể hiện ở hình thức trượt cùng với mái theo dạng cung trượt trụ tròn Hình thức trượt thứ hai là hình thức thân kè trượt tịnh tiến trên mái đê, mái sông do thân kè không đủ ổn định trên mái do chân kè bị mất ổn định ( khi đó giảm nhỏ lực chống trượt tại chân kè) như trên hình 2.8

Hình 2.8 Hư hỏng kè lát mái bê tông Đối với loại hình kè này có thể tóm tắt ở một số hình thức hư hỏng sau:

Hình 2.8.a Các dạng hư hỏng của kè bảo vệ mái đê, mái sông

1.2.6 Sự hư hỏng của tường đá xây

Hình 2.9 Mất ổn định của tường đá xây bảo vệ mái

Việc lựa chọn hình thức tường đá xây bảo vệ mái bờ sông phụ thuộc vào địa chất nền Tuy nhiên thông thường địa chất lòng sông thường mềm yếu nên việc sử dụng các tường đá xây trọng lực là yếu tố bất lợi Dưới tác dụng của áp lực thấm của thời kỳ mưa kéo dài và nhất là mực nước trong sông thấp, nước sau lưng tường không thoát kịp đã làm gia tăng thành phần lực đẩy gây mất ổn định cho tường như hình 2.9 thể hiện

1.2.7 Cừ thép bảo vệ mái

Hình 2.10 Hư hỏng của cừ thép bảo vệ mái

Việc sử dụng cừ thép trong bảo về mái bờ sông chỉ cho tác dụng tức thời trong một thời gian ngắn và thường dùng trong thời gian thi công Hình 2.10 cho thấy hình ảnh sạt lở mái bờ sông được bảo vệ bằng cừ thép tại công viên Hunsen – Phnômphênh- Campuchia Cơ chế phá hoại sạt lở mái được bảo vệ bởi cừ thép cũng tương tự như đối với tường chắn bằng đá xây đã được trình bày ở trên

1.3 Tình hình hư hỏng đê hàng năm

Những trận vỡ đê trong lịch sử và các hiện tượng sạt lở chân đê gần đây

Năm 1913, ngày 9 tháng 8, mực nước tại Hà Nội đạt 11.35 m làm vỡ

đê sông Hồng ở đoạn đê thuộc tỉnh Vĩnh Phúc trên 2 đoạn phía tả ngạn tại Nhật Chiên, Cẩm Viên và Hải Bối, Yên Hoa thuộc Phúc Yên; vỡ đê Phu Chu thuộc tỉnh Thái Bình Ngày 14 tháng 8, khi lũ Hà Nội xuống mức 10.69 m vẫn vỡ đê Lương Cổ, tả ngạn sông Đáy thuộc tỉnh Hà Nam Ngày 17 tháng 8,

vỡ đê Phương Độ, Sơn Tây phía hữu ngạn sông Hồng khi mực nước Hà Nội

là 11.11 m Ngày 18 tháng 8, vỡ đê Nghĩa Lộ phía hữu ngạn thuộc tỉnh Hà Nam, khi mực nước Hà Nội 11.03 m Ngày 19 tháng 8, vỡ đê Quang Thừa,

Lỗ Xá sông Đáy phía hữu ngạn thuộc tỉnh Hà Nam, khi mực nước Hà Nội 10.99 m Nước lũ làm ngập gần hết tỉnh Vĩnh Phúc (cũ), một phần Hà Tây, Nam Định, Hà Nam, Thái Bình và Bắc Ninh

Năm 1915, từ ngày 11 đến 20 tháng 8: Đê bị vỡ liên tiếp 42 chỗ với

tổng chiều dài 4,180 m (từ 11 - 20/7/1915 khi mực nước Hà Nội dao động từ 11.55 – 11.64 m) Những nơi vỡ chính như: Xâm Dương, Xâm Thị đê hữu sông Hồng thuộc tỉnh Hà Đông Các chỗ vỡ khác như Lục Cảnh, Hoàng Xá, Trung Hà tỉnh Phúc Yên; Phi Liệt, Thuỷ Mạo tỉnh Bắc Ninh Đê tả sông

Hồng, vỡ ở: Mễ Chân tỉnh Hưng Yên; Gia Quất, Gia Thượng, Phú Tòng, Yên Viên, Đông Thụ, Danh Nam tỉnh Bắc Ninh và một số chỗ khác trên sông Phó Đáy, Đuống và sông Đáy

Năm 1926, ngày 29 tháng 7, khi mực nước Hà Nội lên tới 11.93 m thì

vỡ đê tả ngạn sông Hồng vùng Gia Quất, Ái Mộ, Gia Lâm tỉnh Bắc Ninh; vỡ

đê hữu ngạn sông Luộc tại Hạ Lao, Văn Quán tỉnh Thái Bình; vỡ đê tả ngạn sông Luộc tại Bô Dương, tỉnh Hải Dương Tổng diện tích đất canh tác bị ngập lụt do vỡ đê khoảng 100,000 ha (28) Hà nội lúc này chưa đắp đê cao như hiện nay nên lũ sông Hồng uy hiếp trực tiếp Thành phố Hà Nội Kể từ đây đê được nâng cao lên 14 m Nhiều tuyến đê được nắn lại, hai sườn đê được đắp không đối xứng đảm bảo chống chịu nước lũ tốt hơn

Năm 1945 Một trận lũ lớn vào tháng 8 năm 1945 gây vỡ đê tại 79

điểm, gây ngập 11 tỉnh với tổng diện tích 312,000 ha, ảnh hưởng tới cuộc sống của 4 triệu người

Năm 1971, ảnh hưởng những trận mưa to liên tục và một cơn bão lớn,

nước trên sông Thao, sông Lô và sông Đà đã hợp lại gây nên cơn lũ lịch sử của đồng bằng sông Hồng Mực nước sông Hồng ngày 20 tháng 8 lên đến 14.13 m ở Hà Nội (cao hơn mực nước báo động cấp III đến 2.63 m) Mực nước Sông Hồng đo được 18.17 m ở Việt Trì (cao hơn 2.32 m mức báo động cấp III) và 16.29 m ở Sơn Tây (1.89 m cao hơn mức báo động cấp III) Đồng thời mực nước ở các Sông Cầu, Sông Lô, Sông Thái Bình lên cao hơn bao giờ hết Mưa lũ năm 1971 đã gây vỡ đê ở ba địa điểm, làm chết 100,000 nguời, úng ngập 250,000 ha và hơn 2,7 triệu người bị thiệt hại

Năm 1996 Ngày 24 tháng 7 năm 1996 bảo Frankie với gió 100

km/giờ gây lụt lội hơn 177,000 ha bị úng ngập, mưa bảo làm 100 người bị thiệt mạng, và 194,000 căn nhà bị hư hại

Năm 2008 Trận mưa lớn nhất trong 35 năm đổ xuống ngày 31/10 và

1/11/2008 với hơn 600 mm biến Hà Nội và nhiều vùng khác trong đồng bằng Sông Hồng thành biển nước Thành phố Hà Nội có hệ thống thoát nước chỉ chịu đựng được lượng mưa tối đa 86 mm mới không bị ngập lụt

Mực nước lúc 16 giờ ngày 4/11/2008 trên sông Thao tại Yên Bái là 31.94 m (dưới mức báo động III là 0.06m); trên sông Lô tại Tuyên Quang là 25.77 m (dưới báo động III là 0.23 m); trên sông Cầu tại Đáp Cầu là 5.93 m, (trên báo động III là 0.13 m); hạ lưu sông Hồng tại Hà Nội là 9.1 m (dưới báo động I là 0.4 m); sông Thái Bình tại Phả Lại là 4.76 m (trên báo động II là 0.26 m); sông Thương tại Phủ Lạng Thương là 5.34 m (dưới báo động III là 0.46 m) Tại Hà Đông, chiều 4/11, nước sông Nhuệ tràn qua mặt đê, mực nước lên tới 6.17 m Hàng loạt các hồ chứa nước của Hà Nội và một số tỉnh lân cận bị quá tải Tại Hồ Miễu, hồ Đồng Đò, hồ Kèo Cà, hồ Bàn Tiện, hồ Đền Sóc (huyện Chương Mỹ), mực nước lên cao vào chiều tối và tràn bờ Nhiều hồ khác lên mức tràn xả lũ là hồ Cầu Bãi, hồ Đồng Đò, hồ Đồng Quan,

Tổng số người chết ở Miền Bắc là 92, riêng Hà Nội 22 người, thiệt hại kinh tế lên đến gần 5,000 tỷ đồng Mưa lũ kéo dài cũng khiến cho khoảng 169

km đê nội đồng kinh mương hư hỏng; hơn 266,000 ha diện tích hoa màu và thủy sản bị ngập úng; hàng trăm nghìn nhà cửa bị sập đổ và hư hại

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA NGHIÊN CỨU BẢO VỆ MÁI SÔNG

2.1 Cơ sở khoa học trong nghiên cứu thấm ổn định trong đê và mái sông

Trong truờng hợp ngâm lũ, áp lực khe rỗng ảnh hưởng cả tải trọng và cường độ đất nên việc phân tích ổn đính mái đê, mái sônglà rất quan trọng để nắm rõ sự biến đổi áp lực khe rỗng bên trong thân đê, kè Có thể phát sinh áp lực khe rỗng dưới điều kiện có hoặc không có dòng chảy nước ngầm Dòng chảy ngầm có thể phân thành dòng ngầm tĩnh tại (không thay đổi theo thời gian) và dòng ngầm không tĩnh tại (thay đổi về tốc độ dòng chảy) Dòng ngầm xuất hiện do ảnh hưởng khác nhau về đầu nước giữa hai phân tố đất cạnh nhau Ví dụ tại vị trí trước và sau mái đê, mái sôngtrong thời kỳ nước cao ở trong sông (hình 2.1)

Hình 2.1: Dòng chảy ngầm trong đê

Biến đổi áp lực khe rỗng trong đất có thể trệch với áp lực thủy tĩnh theo

3 nguyên nhân khác nhau như sau:

- Dòng chảy ngấm do chênh đầu nước (hay thế năng) giữa 2 vị trí Trong trường hợp đối với đê, các điều kiện biên thủy lực biến đổi ở phía sông

hay phía biển ( do thay đổi triều, sóng do gió và tàu thuyền, mực nước sông) còn ở phía trong đồng không thay đổi làm tăng dòng chảy ngầm

- Dòng này có thể là dòng tĩnh tại hoặc không tĩnh tại (có liên quan đến

độ cố kết của đất) với kết quả là làm giảm dung tích do một lượng gia tăng tải trọng ngoài không thể xảy ra vì nước khe rỗng đáng phải bị trục xuất ra lại bị trễ do độ thấm nhỏ của đất và do tải trọng ngoài được truyền nhờ áp lực khe rỗng gia tăng tạm thời Hiện tượng này đặc biệt thường xuất hiện với đất ít thấm như đất sét

- Thay đổi dung tích do ứng suất cắt Vấn đề này có thể quan trọng khi trong đất có bọc cát hạt rời và đất sét nhẹ sẽ có thể dẫn đến áp lực khe rỗng vượt trội làm giảm tức thì ứng suất hiệu quả và ứng suất cắt Với đất cát rời

có thể xuất hiện hiện tượng hóa lỏng trong trường hợp tới hạn

q :- lưu lượng đơn vị hay tốc độ dòng chảy riêng (m/s);

k :- hệ số thấm (m/s);

I :- gradient thủy lực;

Đối với tốc độ dòng chảy riêng, hệ số thấm k là quan trọng vì các thông

số về đất biến đổi rất lớn Đất sét k trong khoảng 10-7 đến 10-10 m/s, còn đối với đất cát k trong khoảng 10-3 đến 10-5 m/s Vật liệu hạt như cuội sỏi có độ thấm lớn hơn nhiều nhưng định luật Darcy không còn giá trị để áp dụng

2.2 Cơ sở khoa học trong nghiên cứu thấm qua đê trong trường hợp lũ rút

Do điều kiện biên thay đổi, khi đó vận tốc thấm thay đổi theo thời gian

Ở thời điểm ban đầu cột nước thượng lưu H, dòng thấm về hạ lưu đạt trạng thái ổn định Tại thời điểm này bài toán thấm được tính theo bài toán thấm ổn định trong môi trường bão hoà Khi hạ thấp mực nước thượng lưu, dòng thấm

ra cả mái thượng lưu và hạ lưu, đường bão hoà thay đổi Phương pháp tính thấm được tính theo bài toán thấm không ổn định trong môi trường bão hoà, phi bão hoà

Phương trình cơ bản của dòng thấm không ổn định

Cơ sở lý thuyết bài toán thấm không ổn định trong môi trường phi bão hoà Định luật bảo toàn khối lượng cho dòng thấm không ổn định yêu cầu: Lượng nước vào – lượng nước ra = lượng nước trữ lại

Vy + y ( ) Vy y Vx

Vz

Vy

x Vx ( )

Vx + x

Vz ( )

Vz + z z

X

Z Y

Hình 2.2: Sơ đồ biểu thị định luật bảo toàn khối lượng cho dòng thấm không ổn

định

Từ sơ đồ trên ta có:

x( v ) y( ) ( ) t ( n)

z z y

T L

m n

(2-26) Phương trình trên biểu diễn sự liên hệ giữa tốc độ biến thiên của chất lỏng trong một đơn vị thể tích với mức độ biến thiên của cột nước

h

n h

n n

∂+

- Độ nén của môi trường xốp α

Vì dp = d(h - z) = dh

Nên ta có: dσ, = −ρgdh

+ Độ nén của môi trường xốp được tính như sau:

σσ

α

d

dn d

dn =−αρ (2-30) + Độ ép của chất lỏng được tính như sau:

du v

ρρ

ρ

ρβρ

dh

d gdh

d d

h h

n h

n t

n

∂

∂ +

) (

)

(ρ ρ ρ ρ 2 α ρ 2 β (2-33)

Ký hiệu: S =ρ2g(nβ−α) (độ trữ riêng)

t

h S n

v x

v x

v y

v x

h k z y

h k y x

h k

∂

∂

∂

∂+

Nếu môi trường là đồng nhất khi đó kx, ky, kz là hàng số

t

h S z

h k y

h k x

∂

∂ +

∂

∂

2

2 2

2 2

2

(2-38) Nếu môi trường là đẳng hướng thì kx = ky= kz =k

t

h k

S z

h y

h x

∂

∂ +

∂

∂

2

2 2

2 2

2

(2-39) Trong bài toán thấm không ổn định – phi bão hoà, độ bão hoà của môi trường đất trong đơn vị thể tích mà ta đang xét thay đổi theo thời gian

v y

n t

n n

∂+

∂

∂+

Nếu ta giả thiết

t n v v v

z

z y

y x

ta có:

t

n z

h p k z y

h p k y x

h p k

∂

∂

∂

∂ +

Theo định nghĩa về độ ẩm thể tích θ: θ = nθ’

t t

Ta có:

t

p p C

p p k z y

p p k y x

p p k

∂

= +

∂

∂

∂

∂ +

∂

∂

∂

∂ +

1 )(

( [ ] ) ( [ ] ) ( [

Hình 2.3: Biểu đồ quan hệ giữa hệ số thấm và áp lực kẽ rỗng

2.3 Giải bài toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau Phương pháp PTHH có thể phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu công trình Thuỷ lợi, xây dựng dân dựng, Giao thông đến các bài toán của lý thuyết trường như: Lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điện từ trường… Với sự phát triển của công nghệ tin học, nhiều bài toán phức tạp như tính toán trạng thái ứng suất biến dạng trong đập đất đá đổ có nhiều vật liệu khác nhau, nền có nhiều lớp, với điều kiện biên phức tạp đã được giải quyết

2.3.1 Trình tự giải bài toán bằng phương pháp PTHH

Chia phần tử: Chia miền tính toán thành nhiều các miền nhỏ gọi là các

phần tử Các phần tử được nối với nhau bằng một số hữu hạn các điểm nút Các nút này có thể là đỉnh các phần tử, cũng có thể là một số điểm được quy ước trên cạnh của phần tử

Rời rạc hoá miền xác định:

Cần xác định sự phân bố cột áp dưới đập, gradient thấm và tổng lưu lượng dòng thấm Ở đây cột áp xem là hàm chưa biết H được xấp xỉ bằng một

bộ các mảnh mặt phẳng tam giác i, j, k thuộc miền nghiên cứu trong mặt phẳng XY

Vị trí mặt phẳng không gian được xác định đơn trị bằng 3 điểm không nằm trên một đường thẳng

Y Z

I

K J

I'

J'

K '

Hình 2.4: Rời rạc hóa miền xác định

Độ sai lệch của mặt phân mảnh xấp xỉ so với mặt trơn thực tế sẽ càng lớn khi độ cong của mặt trơn càng lớn Từ đó rút ra quy tắc cơ bản xây dựng lưới các phần tử là làm dầy đặc lưới tại những nơi có gradient hàm cần tìm cao, chẳng hạn như các cột áp

Công cụ toán học của phương pháp PTHH đảm bảo đưa ra bài toán tích phân phương trình vi phân song điều hoà về phép giải hệ thống các phương trình đại số tuyến tính, trong đó giá trị cột áp tại các nút phần tử là các ẩn số

Do giới hạn lời giải bài toán là bài toán thấm dừng trên cơ sở định luật Darcy

có thể viết dưới dạng vi phân :

phân mà phiếm hàm được chọn là:

dV y

H Ky x

H Kx L

2

1

(2-47)

Trong đó Kx, Ky lần lượt là các hệ số thấm theo phương X, Y

Trong phạm vi mỗi phần tử giả thiết một dạng phân bố xác định nào đó của hàm cần tìm

Đối với bài toán thấm thì hàm xấp xỉ có thể là hàm cột nước Thường giả thiết hàm xấp xỉ là những đa thức nguyên mà hệ số của nó được gọi là các thông số Trong phương pháp PTHH, các thông số này được biểu diễn qua các trị số của hàm và có thể là trị số của đạo hàm của nó tại các điểm nút của phần tử Dạng đa thức nguyên hàm xấp xỉ phải được chọn đảm bảo để bài toán hội tụ Nghĩa là khi tăng số phân tử lên khá lớn thì kết quả tính toán sẽ tiệm cận đến kết quả chính xác

Ngoài ra hàm xấp xỉ còn phải chọn sao cho đảm bảo một số yêu cầu nhất định, định luật Darcy (bài toán thấm) Song để thoả mãn chặt chẽ tất cả các yêu cầu thì sẽ gặp nhiếu khó khăn trong việc lựa chọn mô hình và lập thuật toán giải Do đó trong thực tế người ta phải giảm bớt một số yêu cầu nào đó nhưng vẫn đảm bảo được nghiệm đạt độ chính xác yêu cầu

Dựa vào phương trình định luật Darcy để tìm trường lưu tốc thấm, trường gradient thấm, lưu lượng thấm v.v…

2.3.2 Giải bài toán thấm bằng phương pháp PTHH:

Do đặc thù của đập vật liệu địa phương, thường có chiều dài lớn hơn so với chiều cao, do vậy việc nghiên cứu bài toán thấm trong phạm vi luận văn chỉ dừng lại ở mô hình bài toán phẳng, thấm ổn định và không ổn định Tác giả sử dụng chương trình máy tính seep/w của hãng phần mềm địa kỹ thuật quốc tế (Geo-slope, 2007 để giải bài toán thấm

2.3.3 Đường bão hòa của đê đất đồng chất khi mực nước hạ thấp

Khi k/μ V≤ 1/10, lúc này mặt tự do của dòng thấm trong thân đê, sau khi mực nước hạ xuống, vẫn duy trì khoảng 90% tổng cột nước, cho nên một cách gần đúng có thể cho rằng, đường bão hòa về cơ bản vẫn giữ nguyên vị trí cũ không thay đổi, trường hợp này là bất lợi nhất đối với sự ổn định của mái đê

Để thiên về an toàn, có thể tiến hành phân tích ổn định của mái đê, mái sôngtheo vị trí đường bão hòa trước khi mực nước bắt đầu hạ xuống

Khi mực k/μ V > 60 là hạ xuống từ từ, lúc này mặt tự do của dòng thấm trong thân đê duy trì dưới 10% tổng cột nước, đã không còn ảnh hưởng đến

sự ổn định của mái đê, do đó, nói chung không cần phải tiến hành tính toán ổn định mái thượng lưu khi mực nước hạ xuống

Chỉ trong phạm vi 1/10 < k/μV ≤ 60, sự hạ thấp của đường bão hòa nằm ở giữa hai trường hợp trên đây, thì cần tính toán vị trí hạ thấp đường bão hòa theo quá trình hạ xuống từ từ, để tiến hành phân tích ổn định của mái thượng lưu

Trong các công thức trên đây:

k :- hệ số thấm của vật liệu đất thân đê (m/s);

V:- tốc độ hạ xuống của mực nước (m/s);

μ :- độ cấp nước của khối đất, tính toán theo công thức (các trị số trong bảng có thể dùng để tham khảo):