NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ HIỆN TƯỢNG PHÁ HỦY CỤC BỘ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ HIỆN TƯỢNG PHÁ HỦY CỤC BỘ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH

Tác gi xin t lòng bi t n chân thành đ n các c quan đ n v và các cá nhân đã truy n đ t ki n th c, cho phép s d ng tài li u đã công b cho tác gi

trong quá trình h c t p, nghiên c u v a qua

c bi t tác gi xin đ c t lòng bi t n sâu s c đ n GS.TS Ph m Ng c Khánh, ng i đã tr c ti p h ng d n, giúp đ t n tình cho tác gi trong quá trình th c hi n lu n v n này

V i th i gian và trình đ còn h n ch , lu n v n không th tránh kh i

nh ng thi u sót Tác gi r t mong nh n đ c s ch b o và đóng góp ý ki n

c a các th y cô giáo, c a các Quý v quan tâm và b n bè đ ng nghi p

Lu n v n đ c hoàn thành t i Khoa Công trình, Tr ng i h c Th y l i

Hà N i, Tháng 12 n m 2010

Nguy n Th Thanh Huy n

M C L C 0

3.3.1 M c đích 64

B ng 3-3: B ng th ng kê h s n đ nh và cao trình đi m ra c a đ ng bão

hoà trên mái h l u đ p ng v i m i tr ng h p tính toán

M U

1 Tính c p thi t c a đ tài

Trong nhi u n m qua, công tác thu l i đã thu đ c nh ng thành t u to

l n trong công cu c đi u hoà, khai thác tài nguyên n c, ph c v s n xu t nông nghi p, công nghi p, dân sinh, gi m nh thi t h i do l l t, góp ph n quan tr ng vào s phát tri n kinh t c a xã h i p đ t là lo i công trình dâng n c, t o h ch a n c ph bi n nh t n c ta hi n nay (chi m trên 90% trong t ng s đ p t o h ch a)

M t đ c đi m quan tr ng c a v t li u đ t đ p đ p là tính th m n c và

d bi n d ng Trong quá trình xây d ng và v n hành các công trình thu l i

nhân: kh o sát, thi t k , thi công, ch t o l p đ t Nh khi kh o sát đ a ch t

lý khi h ch a v n hành s xu t hi n dòng th m trong n n có JR ra R > [J] gây đùn

s i mái h l u đ p i v i các đ p s d ng v t li u đ p đ p không đ ng

nh t, b trí các kh i v t li u không h p lý thì khi đ p làm vi c (ng n n c) d phát sinh dòng th m m nh, len l i qua các khu v c d th m nh t, có th d n

đ n m t n c h ho c gây xói ng m nguy hi m cho thân đ p Trong quá trình

thi công đ t đ m n n không đ m b o đ ch t yêu c u, đ t trong thân đ p t i

x p, ch t l ng thi công không đ m b o, thi t b tiêu thoát n c b t c làm

dâng cao đ ng bão hoà gây s t tr t mái h l u đ p

d ng m i và s a ch a nâng c p đ p đã xây d ng đ m b o an toàn trong quá trình làm vi c c a công trình

3 Cách ti p c n và ph ng pháp nghiên c u:

- i u tra, th ng kê và t ng h p tài li u nghiên c u đã có trong và ngoài

n c có liên quan đ n đ tài

- Nghiên c u t ng h p lý thuy t và k t h p s d ng ph ng pháp tính hi n

đ i – ph ng pháp ph n t h u h n cùng v i ph n m m phù h p áp d ng vào bài toán c th

- Phân tích đánh giá k t qu

CH NG 1

1.1 Tình hình xây d ng đ p v t li u đ a ph ng [1,2,11,12,16]

Trong s nghi p xây d ng thu l i trên th gi i c ng nh n c ta, đ p

đ t đóng vai trò quan tr ng trong vi c xây d ng nh ng h th ng công trình dâng n c Do có nhi u u đi m v m t k thu t và kinh th cho nên trong

nh ng n m g n đây đ p đ t ngày càng chi m u th và đang có xu h ng phát tri n m nh v s l ng và quy mô công trình c ng nh t c đ xây d ng Riêng đ i v i n c ta, đ p đ t đã đ c xây d ng nhi u và trong t ng lai

ch c ch n còn gi vài trò quan tr ng trong vi c xây d ng h th ng công trình

đ u m i (h ch a n c)

p đ t là m t lo i đ p xây d ng b ng các lo i đ t hi n có vùng xây

d ng, có c u t o đ n gi n, v ng ch c, có kh n ng c gi i hoá cao khi thi công và trong đa s tr ng h p có giá thành h nên là lo i đ p đ c ng d ng

r ng rãi nh t trong h u h t các n c T m y nghìn n m tr c công nguyên,

đ p đ t đã đ c xây d ng nhi u Ai C p, n , Trung Qu c và các n c Trung Á c a Liên Xô v i m c đích dâng và gi n c đ t i ho c phòng l

V sau đ p đ t ngày càng đóng vai trò quan tr ng trong các h th ng thu l i

nh m l i d ng t ng h p tài nguyên dòng n c Theo t li u c a ASCE thì

đ p l n b ng đ t l n đá c x a nh t là đ p Sadd-el-Kafura cao kho ng 22m

Ai C p kho ng n m 2850 tr c công nguyên

Ngày nay, nh s phát tri n c a nhi u ngành khoa h c nh c đ t, lý

lu n th m, đ a ch t thu v n, đ a ch t công trình… C ng nh vi c ng d ng

r ng rãi c gi i hoá và thu c hoá trong thi công cho phép đ p đ t càng có

xu h ng phát tri n m nh m Cho đ n nay, các n c đã xây d ng hàng nghìn

đ p đ t Nh ng đ p đ t vào lo i l n nh t th gi i nh đ p Nurek đ c xây

d ng trên sông Vakhsh Tajikistan cao 310m, th tích đ p là 54 tri u m3, h

n c đ c t o thành b i đ p Nurek là h nhân t o có dung tích l n nh t Tajikistan (10,5 t m3) Chi u dài l n nh t c a h là 70km, di n tích m t h

Trong nh ng n m g n đây, trên ph m vi th gi i đang có xu h ng xây

d ng nhi u đ p đ t cao T ng s nh ng đ p đ t có chi u cao h n 75m xây

d ng và thi t k t n m 1960 tr l i đây chi m 80% trong toàn b các lo i

1971

Do đ c đi m v đ a hình, đ a ch t, v t li u xây d ng, ph ng ti n thi công c a n c ta, trong t ng lai đ p đ t- đá còn có tri n v ng phát tri n

r ng rãi h n n a

đang có xu h ng phát tri n nhanh h n n a v s l ng c ng nh quy mô

công trình là do nhi u nguyên nhân, trong đó có nh ng nguyên nhân ch y u

sau đây

- Yêu c u ch t l ng c a n n đ i v i đ p đ t không cao l m so v i nh ng

lo i đ p khác p đ t h u nh có th xây d ng đ c v i b t k đi u ki n đ a

ch t, đ a hình và khí h u nào Nh ng vùng có đ ng đ t c ng có th xây d ng

đ c đ p đ t u đi m này r t c b n, b i vì càng ngày nh ng tuy n h p, có

đ a ch t t t thích h p cho các lo i đ p bê tông càng ít cho nên các n c d n

d n đi vào khai thác các tuy n r ng, n n y u, ch thích h p cho đ p b ng v t

đó giá thành công trình ngày càng h th p và chi u cao đ p càng đ c nâng cao Ng i ta đã tính đ c r ng n u l a ch n đ c lo i đ t có thành ph n h t thích h p và đ m nén t t thì ng su t cho phép trong thân đ p có th đ t đ n

110 KG/cmP

2

- S d ng nh ng ph ng pháp m i đ xây d ng nh ng màng ch ng th m sâu trong n n th m n c m nh c bi t dùng ph ng pháp phun các ch t

dính k t khác nhau nh xi m ng sét vào đ t n n Có kh n ng t o thành nh ng màng ch ng th m sâu đ n 200 m

- Có kh n ng c gi i hóa hoàn toàn các khâu đào đ t, v n chuy n và đ p

đ t v i nh ng máy móc có công su t l n do đó rút ng n đ c th i gian xây

d ng, h giá thành công trình và h u nh d n d n có th lo i tr hoàn toàn l c

- Xu h ng hi n nay trong thi t k và xây d ng ng i ta th ng dùng đ p

đ t đá h n h p (hay còn g i là đ p có v t li u ng u nhiên, không ch n l c – đào h móng ra đ c lo i nào thì c mang vào đ p đ p) và đ p bê tông b n

m t

các lo i v t li u công tr ng, nh t là các lo i đ t đào h móng và có th s

d ng đê quai b ng đá h l u đ làm thân đ p, làm cho giá thành công trình

r mà v n b o đ m các yêu c u k thu t nên lo i đ p này hi n đang có xu

h ng phát tri n m nh

ch ng th m t t, đ b n và đ n đ nh cao vì v y lo i đ p này hi n c ng đang

có xu h ng phát tri n m nh, nh t là khi c n xây d ng nh ng đ p cao

1.2 Tình hình h th ng h ch a t nh Hà Tây [9]

T n m 1960 cho đ n nay, đ c s quan tâm c a ng và nhà n c, cùng v i s đóng ghóp công s c c a nhân dân trong t nh, Hà Tây đã tri n khai xây d ng hàng lo t các h ch a n c, trong đó có nh ng h ch a lo i

v a nh ng Mô - Ng i S n, Su i Hai, ng S ng, Quan S n, Mèo Gù,

Mi u, V n S n, Xuân Khanh, đ ng th i c i t o, nâng c p các h ch a nh

vùng 7 xã mi n núi Ba Vì t nh ng bãi, đ p nh do nhân dân t t o t lâu

đ i Hi n nay trên đ a bàn Hà Tây đã có 28 h ch a n c lo i v a và nh v i dung tích tr h u ích kho ng 160 tri u kh i n c, đ m b o t i cho 10.137

ha (b ng 10% di n tích canh tác c a t nh) Các h ch a n c hi n có trong nhi u n m qua th c s đã đóng ghóp không nh đ n s phát tri n kinh t - xã

h i c a t nh Ngoài vi c c p n c t i và n c sinh ho t cho dân, đ c bi t

nh ng vùng tr c đây th ng ch c y 1 v , nay đã tr ng c y 3 v có n ng

su t cây tr ng cao, các h ch a n c còn làm nhi m v c t l cho h du, h n

ch thi t h i do l quét, gi ngu n sinh thu , t o đi u ki n khôi ph c và phát tri n di n tích r ng, t o c nh quan môi tr ng, phát tri n du l ch, nuôi tr ng thu s n, góp ph n c i thi n đ i s ng nhân dân trong t nh và các đ a ph ng vùng h ng l i

Vi c thi công xây d ng (k c các h ch a l n ) trong nh ng th p k 60

ch (ví d : xây d ng h ng Mô - Ng i S n, t nh Hà Tây đã huy đ ng hàng

c p Qua báo cáo c a các c quan qu n lý, nh ng h h ng c a công trình t p trung theo các d ng sau:

Do đ p b ng th công, ch t l ng đ t đ p không đ m b o, th ng x y ra các s c sau:

h Tân Xã, sau h n 20 n m đ p đã b lún th p h n 1m Hi n t ng này x y

ra khá ph bi n các đ p nh khu v c mi n núi Ba Vì

nay v n còn ch a x lý đ c tri t đ các tuy n đ p chính Ng i S n, đ p

m c n c h lên cao phía h l u có hi n t ng s i m nh thành vòi, n n h

l u đ p và chân đ p nhi u khu v c b sình l y Qua nhi u n m khai thác nh n

th y dòng th m ch y ra mái h l u c cao d n lên đ c bi t nhi u đ ng đá thu

n c b m t tác d ng, đi u này ch ng t thi t b thoát n c trong thân đ p b

h ng, đ ng bão hoà vùng mái h l u b dâng cao và cùng v i th i gian dòng

th m đang ngày càng đe do đ n n đ nh mái đ p

Hình 1-2: Th m gây ra s t tr t sình l y trên mái h l u đ p h V n S n,

Ch ng M , Hà Tây

CH NG II

NGUYÊN NHÂN 2.1 M t s h h ng, s c th ng x y ra đ i v i đ p v t li u đ a ph ng trong quá trình v n hành [15][16]

ph ng, đ c bi t là s đóng góp to l n v công s c c a nhân dân trong c

n c, đ n nay ngành Thu l i n c ta đã xây d ng và đ a vào ph c v s n

xu t hàng nghìn công trình thu l i Thu l i đã th c s là bi n pháp k thu t hàng đ u trong nông nghi p, góp ph n quan tr ng trong chi n l c đ m b o

an ninh l ng th c qu c gia, đ a n c ta t thi u l ng th c tr thành n c

xu t kh u g o đ ng th 2 trên th gi i

T th p k 60 c a thiên niên k 20, đ i ng cán b khoa h c k thu t

c a ngành Thu l i c ng đã tr ng thành, đã t l c đ m nhi m đ c toàn b các khâu t đào t o, nghiên c u khoa h c, đi u tra kh o sát, quy ho ch, thi t

k , xây d ng, ch t o qu n lý v n hành các công trình thu l i n c ta Tuy nhiên so v i các n c tiên ti n, rõ ràng là trình đ cán b công nhân c a chúng ta ch a cao, còn thi u kinh nghi m, công trình thu l i còn l c h u, cùng v i vi c thi u tinh th n trách nhi m c a m t s cán b và công nhân, nên đã x y ra s c m t s công trình thu l i, gây nên t n th t không nh

v tài s n c a Nhà n c, tài s n và tính m ng c a nhân dân, đ i v i s c l n

và nghiêm tr ng còn nh h ng x u đ n tình hình xã h i H u h t các công

trình đ u có s c l n ho c nh Do m t ho c nhi u nguyên nhân gây ra, trong đó có kh o sát (đ a hình, đ a ch t công trình, đ a ch t thu v n, thu v n công trình), thi t k (thu công, c khí, đi n), ch t o, l p đ t, thi công, qu n

lý khai thác Th c t v s c đã x y ra các công trình thu l i n c ta cho th y trong các nguyên nhân đó các nguyên nhân ph bi n là : kh o sát, thi công, thi t k và ch t o l p đ t

Các h ng m c công trình x y ra s c có c các công trình đ u m i, h

th ng kênh, công trình thu công c ng nh c đi n S c x y ra không ph i

ch có ngay sau khi hoàn thành công trình, mà th ng là sau nhi u n m Tuy nhiên s c l n và nghiêm tr ng th ng x y ra khi g p l c c l n (nh v đ p

V V ng t nh Ngh An và r t nhi u đ p nh khác) trong quá trình thi công (

nh s c s t kênh d n và v đ p Sông M c t nh Thanh Hoá, s c đ p Su i

Tr u t nh Khánh Hoà, s c đ p Cà Giây t nh Bình Thu n ) Nh ng s c nghiêm tr ng khác là do s c nh x y ra t t nh ng không đ c x lý, đ

ti p di n lâu ngày tích ti u thành đ i Nh ng s c l n và nghiêm tr ng

th ng x y ra r t đ t ng t trong th i gian r t ng n, không k p ng phó (v

đ p Su i Tr u l n 1, l n 2, v đ p áy c )

đ a ph ng.[15]

Do các nguyên nhân sau gây ra :

t ng l ng l nh h n th c t , các d ng l thi t k không ph i là b t l i, thi u l u v c, l p đ ng cong dung tích h W=f(H) l ch v phía l n, l p

đ ng cong kh n ng x l c a đ p tràn Q=f(H) sai l ch v i th c t

nh h n thi t k , ch t l ng đá ho c bê tông kè, đá lát đ t n m, không chèn ch t các hòn đá

Do các nguyên nhân sau gây ra

x lý

s ch l p b i tích, thi công chân khay sân ph kém d n đ n th ng l p cách n c

pháp x lý ho c do khi thi công không th c hi n t t bi n pháp x lý

Do các nguyên nhân sau gây ra

t t

e Th m m nh ho c s i n c mang công trình

Do các nguyên nhân sau gây ra

đ p không đ c l a ch n k , không d n v sinh s ch s đ v t b các

do kh o sát s sài, kh i l ng kh o sát th c hi n ít, không thí nghi m

đ y đ các ch tiêu c lý l c h c c n thi t, t đó đánh giá sai ch t l ng

quá quy đ nh, s l n đ m ít, nên đ t sau khi đ p có đ ch t không đ ng

đ u, phân l p, trên m t thì ch t phía d i v n còn t i x p không đ t đ

ch t quy đ nh, hình thành t ng l p đ t y u n m ngang trong su t c b

m t l p đ m

- Thi t k và thi công không có bi n pháp x lý kh p n i thi công do phân

đo n đ p đ đ p trong quá trình thi công

Do các nguyên nhân sau gây ra

t ng đ t bi n

Do các nguyên nhân sau gây ra

đ t ph n th ng l u thân đ p

- S c b n c a đ t đ p đ p không đ m b o các yêu c u c a thi t k

Do các nguyên nhân sau gây ra

toàn thân đ p b bão hoà n c ngoài d ki n c a thi t k

p South Fork M đ c kh i công xây d ng vào n m 1857 đ cung

c p n c sinh ho t và dùng làm h vui ch i cho câu l c b nh ng ng i đánh

cá Ngày 31 tháng 5 n m 1889 b v làm r t nhi u ng i ch t p cao 21,5m

3

P, b ph n

th ng l u đ p b ng đ t không th m n c có lát mái b o v , h l u có l ng

tr đá và l p l c b ng cát s i Trong đ p không có t ng tâm và các hình th c

ch ng th m khác Ngay t n m 1862 nhân dân g n đó đã lo l ng v hi n

t ng th m qua c ng thoát n c đáy đ p, đã ti n hành l p h xói hình thành

do dòng th m và l p b t c ng thoát n c Khi x y ra s c vùng g n đ p có

3

P/s Do đ p tràn x l bé không đ thoát l u l ng n c v nên n c l đã tràn qua đ nh đ p trên chi u dài 92,0m p v gi ng nh rãnh xói, ph n trên r ng kho ng 130m, ph n

3

P U ban đi u tra cho

r ng nguyên nhân x y ra s c là do chi u dài đ ng tràn x l không đ (ch

b ng m t n a chi u dài thi t k ) N c trong h tháo c n qua ch v trong

vòng 45 phút Kho ng 20 tri u t n n c tràn v th tr n Johnstown dâng cao lên đ n 9,5m có sóng to cao t i 10-12m Xe máy l y qu ng n ng 60 t n c ng

b sóng cu n trôi S ng i b ch t qua đi u tra có kho ng 2500 ng i

Hình 2-1 : Hình nh v đ p South Fork n m 1889

b p Chalm

p Chalm Pháp b ng đ t xây n m 1905, cao 26m, đáy r ng 64,19m dài đ nh 523,5m t sét trong đ p đ p thành l p dày, trong đ t xen l n cát thô 5% Hàm l ng đ t sét trong thân đ p không t i 60% V t li u đ p đ p

đ c đ m n n c n th n b ng c gi i Mái th ng l u có ph t ng nghiêng

b ng t m bê tông l n dày 0,2m, đ d c 1 :1 đ n 1 : 1,5 Ngày 20 tháng 10

n m 1909 t ng nghiêng b t đ u b h h ng, mái th ng l u b tr t Nguyên nhân là do n c t trong các k h c a m t b o v b ng bê tông th m vào trong đ p, d n d n làm cho đ t sét m t bão hoà, và làm cho đ t sét t m t

n c trong h ch a thay đ i càng thêm nghiêm tr ng trong nh ng ngày sau

đó Thí d này th hi n đ c tính v t lý không t t cho đ t sét ng m n c

Công trình thu l i V c Tròn t i xã Qu ng Châu, huy n Qu ng Tr ch,

t nh Qu ng Bình đ c xây d ng t n m 1983 đ n 1989 p chính b ng đ t cao 29m dài 1040m, sau khi đ c thi công xong n m 1986, vi n KSTKTL khi khoan ki m tra đã phát hi n trong thân đ p đã đ p 1 l p dày 2,5m b ng

b ng dài 630m theo tim đ p B đã cho khoan ph t thân đ p 270m chi u dài

vì không có kinh phí đ ph t toàn b Tháng 10/1994 v n xu t hi n 3 vùng

ph i có bi n pháp đ kh c ph c s c trên

2.2 C s khoa h c đánh giá n đ nh đ p v t li u đ a ph ng

p v t li u đ a ph ng là lo i công trình dâng n c đ c s d ng ph

bi n nh t t t c các n c trên th gi i Trong t ng lai nó v n đ c l a

ch n làm đ p dâng n c các đ u m i thu l i - thu đi n s đ c xây d ng

n c ta

c đi m chính c a các công trình này là th ng xuyên ch u áp l c n c

t nh và đ ng Qua phân tích s làm vi c và t ng k t các quá trình xây d ng, khai thác đã th a nh n r ng đ p dâng n c b ng đ p v t li u đ a ph ng là

lo i công trình có nhi u v n đ k thu t h n c S có m t th ng xuyên c a dòng th m trong thân và n n đ p đã d n đ n s t ng kích th c m t c t ngang

đ p c ng nh đòi h i quá trình thi công nghiêm ng t nên giá thành công trình cao h n r t nhi u giá thành các công trình đ t không ch u tác d ng c a dòng

th m h n ch t i m c t i thi u nh t tác h i do dòng th m gây ra mà v n

đ m b o tính kinh t k thu t, nh t thi t ph i hi u đ c b n ch t c a dòng

th m trong đ t c ng nh tác đ ng c a nó lên thân và n n công trình khi có dòng th m đi qua S ra đ i và phát tri n c a lý thuy t th m đang t ng b c đáp ng các yêu c u c a k thu t đòi h i này

n c ta vi c nghiên c u lý thuy t th m c ng nh kinh nghi m trong

vi c gi i quy t các v n đ th m trong th c ti n thi t k , xây d ng và khai thác các đ p dâng n c b ng v t li u đ a ph ng còn ch a nhi u Vì v y vi c

nghiên c u đ ng d ng các ti n b khoa h c th gi i trong l nh v c này vào

Vi t Nam là r t c n thi t Khó kh n l n nh t trong nghiên c u th m cho đ p

là xác đ nh đúng ch đ th m và đi u ki n n đ nh th m c a các lo i v t li u

M c tiêu nghiên c u trong ph n th m và n đ nh th m ch y u t p trung

gi i quy t hai v n đ trên Ch đ th m trong đ p đ c xác đ nh b ng các mô hình toán h c theo lý thuy t th m gi i quy t các bài toán lý thuy t th m

ph c t p trong k thu t nh th m phi tuy n, th m không n đ nh có m t t do

có th s d ng các ph ng pháp tính tiên ti n Ngoài vi c đ m b o tính chính xác khi thi t l p ch ng trình trên máy vi tính, còn c n ch ng minh tính đúng

đ n c a ph ng pháp tính toán qua so sánh v i tài li u th c nghi m và so sánh v i s li u th c t S d ng ph ng pháp ph n t h u h n đ tính toán các bài toán lý thuy t th m ph c v thi t k , xây d ng và khai thác các công trình dâng n c không nh ng thay th ph ng pháp thí nghi m t ng t đi n thu đ ng l c h c, ti t ki m đ c th i gian và kinh phí, mà còn gi i quy t

đ c r t nhi u các bài toán lý thuy t th m ph c t p khác mà các ph ng pháp khác không gi i quy t đ c ho c khó có th đ t đ c

Các k t qu nghiên c u cho bi t m c đ n đ nh th m c a toàn b công trình không dùng tr s gradient trung bình, mà đánh giá theo đi u ki n n

đ nh th m c c b theo các kh n ng có th x y ra xói ng m c c b , xói ng m

ti p xúc…, ph ng pháp này chính xác và tin c y h n, r t ti n l i khi gi i bài toán lý thuy t th m b ng ph ng pháp ph n t h u h n Nh ng k t qu nghiên c u có th ng d ng trong s n xu t đ gi i quy t các bài toán lý thuy t

th m ph c t p và đánh giá n đ nh th m công trình Vi c gi i bài toán th m

có vai trò quan tr ng trong th c t , trong khai thác n c ng m, khai thác d u

m , nhi m m n, r a m n b ng tiêu n c, t n th t n c do th m, n c m a,

n c t i th m vào m t đ t, th m qua n n và các công trình ng n n c, th m vào h móng Trong thi t k công trình thu l i ch sau khi xác đ nh đ c các

đ c tr ng c a dòng th m và bi n pháp ch ng th m thì m i có đi u ki n đ đánh giá s n đ nh và đ b n c a công trình

2.3 Tình hình nghiên c u th m n c ngoài và Vi t Nam

Các bài toán lý thuy t th m c a n c trong môi tr ng đ ng nh t và không đ ng nh t, v c b n đ u đ a đ n gi i quy t ph ng trình vi phân c p

2 đ o hàm riêng khi bi t đi u ki n đ u và đi u ki n biên t ng ng

gi i quy t bài toán lý thuy t th m, ng i ta đã s d ng m t s nhóm

ph ng pháp sau :

pháp bi n đ i tích phân

đ a đ n bài toán Rima-Gianke)

tính gi i tích hàm, phép tính bi n phân

Trong đó ph ng pháp t ng t đi n thu đ ng l c h c do

toán th m th c t và m c đ tin c y c a các ph ng pháp khác Ph ng pháp này đòi h i công phu và t n kém nên nh ng tr ng h p th t c n thi t m i

đ c s d ng M c dù v y, nh ng v n đ nh th m d h ng, th m phi tuy n

ph ng pháp này v n ch a gi i quy t đ c Cùng v i s phát tri n c a máy tính đi n t , ph ng pháp s đã chi m u th trong vi c gi i quy t các bài toán lý thuy t th m nh t là bài toán có bi n thay đ i, ch đ v n đ ng trong môi tr ng có c u t o đ a ch t ph c t p c bi t các ph ng pháp sai phân

h u h n và ph ng pháp ph n t h u h n đang đ c dùng r ng rãi ph bi n

dàng t đ ng hoá trên máy tính, có kh n ng gi i đ c t t c các bài toán

th m v i m c đ chính xác phù h p v i th c t và tho mãn yêu c u trong k

ph ng pháp đ i s đ nghiên c u xác đ nh các y u t dòng th m cho bài toán

đ p đ t trên n n không th m n c n m ngang có thi t b thoát n c ki u g i

ph ng PGS.TS Nguy n H u An đã s d ng ph ng pháp thu l c đ xác

đ nh ph m vi b o v đê sông TS Nguy n ình B o dùng ph ng pháp thu

l c đ xét s trao đ i n c th m gi a thân và n n đ p , gi i bài toán th m qua

đ p đ t khi dùng hai dãy hào bentonite làm thi t b ch ng th m TS ng V n

Ba đã gi i bài toán th m qua đ p đ t b ng ph ng pháp ph n t h u h n

PGS.TS Ph m V n Qu c đã gi i bài toán th m không n đ nh có n n cát thông n c v i sông b ng th c nghi m khe h p và ph ng pháp ph n t h u

a Ph ng pháp c h c ch t l ng

Ph ng pháp c h c ch t l ng ch y u d a vào công c toán h c đ xác

đ nh nh ng đ c tr ng c a dòng th m nh l u l ng, l u t c, gradient, áp l c,

đ ng bão hoà… t i b t k m t v trí nào trong môi tr ng th m

Ph ng pháp này ch s d ng đ c trong tr ng h p bài toán có s đ

đ n gi n Khi g p nh ng s đ ph c t p (đi u ki n đ u và đi u ki n biên

ph c t p) thì cách gi i này g p nhi u khó kh n v m t toán h c và trong nhi u tr ng h p g n nh b t c Do v y trong th c t thi t k tính toán th m theo ph ng pháp này ng d ng r t h n ch

Do tính ph c t p và đa d ng c a các công trình thu l i, môi tr ng

th m là đ p và n n c a nó th ng là các môi tr ng không đ ng nh t và d

h ng, nên vi c gi i các h ph ng trình lý thuy t th m g p r t nhi u khó

kh n v m t toán h c Do đó th c t ph ng pháp thu l c ch gi i quy t

đ c m t vài tr ng h p r t đ n gi n nh th m qua đ p đ ng ch t, th m qua kênh, qua n n đ ng ch t ho c đ c mô hình hoá, tính rút n c trong đ p đ t

ng t v i ti n đ là trong đ p đã hình thành đ ng bão hoà n đ nh m c

n c cho tr c chính xác c a ph ng pháp thu l c có th đáp ng yêu

c u c a bài toán k thu t trong các tr ng h p t ng đ i đ n gi n, và th ng thiên v an toàn, nên ph ng pháp này v n đ c ph bi n và ng d ng r ng rãi trong th c t

Ph ng pháp th c nghi m c ng đ c chia thành nhi u ph ng pháp

khác nhau :

a Ph ng pháp thí nghi m máng kính

Ph ng pháp này có nhi u nh c đi m v m t k thu t : c ng k nh, khó

ch t o mô hình, khó kh ng ch đ c tính không đ ng nh t v th m c a mô hình u đi m có tính nguyên t c c a máng th m là kh n ng nghiên c u

tr c ti p b n ch t c a các quá trình th m Kh n ng này cho phép ti n hành

l p mô hình trong tr ng h p còn ch a rõ cách mô t toán h c c a quá trình

u đi m đ c bi t c a ph ng pháp này là có th dùng máng th m đ l p mô hình th m không áp trong không gian

Vì có khó kh n v ph ng pháp và k thu t, máng khe h p không đ c

ph bi n r ng rãi H p lý nh t là s d ng máng khe h p đ nghiên c u dòng

ch y không áp, ho c tác d ng t ng h gi a n c m n và n c ng t

Ph ng pháp này thu c lo i mô hình toán h c Tu bài toán nghiên c u

và đi u ki n k t c u công trình đ ch n các t l mô hình cho phù h p Lo i

mô hình này c ng có m t s nh c đi m N u mô hình làm b ng gi y d n

đ c chính xác Còn n u làm mô hình dung d ch ch t đi n phân có th kh c

ph c đ c h n ch c a mô hình gi y d n đi n thì l i m c ph i sai s trong quá

phân, ngày nay đã có s t đ ng hoá trong thí nghi m b ng các thi t b đo

hi n đ i sao cho quá trình thí nghi m di n ra nhanh chóng rút ng n đ c th i gian đo đ c

Mô hình này có th ng d ng r ng rãi cho nhi u bài toán th m khác nhau nh : mô hình không gian, mô hình ph ng đ ng, mô hình ph ng ngang

có xét đ n s c p n c theo m t ( m a, b c h i), mô hình ph ng ngang

không áp

Ph ng pháp này ch ng d ng cho ch đ th m n đ nh, môi tr ng

đ ng nh t đ ng h ng Vì v y ph ng pháp này ch còn đ c dùng trong tính toán thi t k các công trình thu l i nh

ây là ph ng pháp r i r c hoá đ gi i g n đúng ph ng trình vi phân

đ o hàm riêng Tuy nhiên có 2 ph ng pháp r i r c hoá : r i r c ki u toán h c

và r i r c ki u v t lý i n hình c a ph ng pháp r i r c ki u toán h c là

ph ng pháp sai phân h u h n i n hình c a ph ng pháp r i r c ki u v t lý

là ph ng pháp ph n t h u h n s đ c trình bày k ph n sau

Nh v y có nhi u ph ng pháp đ gi i bài toán n đ nh th m nh ng

m i ph ng pháp có u đi m riêng và ng d ng trong nh ng ph m vi nh t

đ nh Trong các ph ng pháp tính toán th m thì ph ng pháp ph n t h u

h n và ph ng pháp thí nghi m mô hình v t lý t ra có nhi u thu n l i Vì

v y trong lu n v n tác gi s đi sâu và s d ng ph ng pháp ph n t h u h n

đ gi i bài toán th m ph ng ph c v cho vi c tìm nguyên nhân hi n t ng

đ ng bão hoà leo d n lên cao mái h l u gây m t n đ nh c c b cho đ p

c u lý thuy t th m c a n c trong đ t đ làm sáng rõ các ph ng trình c b n

mà ta s s d ng vào bài toán

Môi tr ng đ t hay các công trình th y công b ng đ t đ u là môi

tr ng l r ng N c v n đ ng trong môi tr ng đó r t đa d ng và ph c t p,

ph thu c vào nhi u y u t , trong đó y u t quan tr ng nh t nh h ng đ n

ch đ v n đ ng c a n c là thành ph n h t c a c t đ t và tr ng thái bi n

d ng c a nó Ng c l i, tr ng thái bi n d ng c ng ph thu c vào áp l c th m

do ch đ th m gây nên.Môi tr ng c a đ t mà trong đó có n c v n đ ng là môi tr ng 3 pha S v n đ ng c a n c trong đ t là do các thành ph n l c quy t đ nh M t đi u hi n nhiên là ta không th nghiên c u s v n đ ng c a

n c trong các l r ng hay khe n t riêng bi t không có quy lu t c a môi

tr ng đ t, ta ch có th xét cho dòng ch t l ng t ng tr ng ch a đ y trong toàn b th tích l r ng và c t r n Nh ng đ c tr ng c a dòng th m đ c thay

b ng nh ng giá tr trung bình c a dòng ch y nh l u t c, áp l c, l u l ng trong mô hình môi tr ng liên t c Trong đó l u t c trung bình v mang giá tr

t ng tr ng và nh h n giá tr th c trung bình trong l r ng 1/n l n (v i n là

đ r ng c a môi tr ng), còn áp l c và l u l ng có giá tr th c

D i tác d ng c a các nguyên nhân bên ngoài (nh ngo i l c, s thay

đ i nhi t đ , chuy n v c ng b c v.v ) bên trong k t c u s phát sinh n i l c

và bi n d ng Phân tích tr ng thái ng su t (n i l c) và bi n d ng c a m t k t

c u b t k d i tác d ng c a các nguyên nhân bên ngoài là nhi m v c a môn

c h c k t c u (theo ngh a r ng)

N u xem k t c u b t kì (ví d đ p đ t đá) là m t môi tr ng liên t c bao

g m vô h n m t s ph n t có kích th c vô cùng bé ghép l i v i nhau thì

vi c phân tích hi n t ng th m trong đ p tr nên thu n ti n h n Do gi thi t

nh v y (xem k t c u là g m nhi u ph n t ghép l i) nên có th bi n đ i các

ph ng trình phi tuy n ph c t p cho các h thành nh ng ph ng trình tuy n tính đ n gi n trong m i m t ph n t

Vi c r i rác hoá k t c u nh v y hoàn toàn có th th c hi n đ c khi s

Thay th k t c u th c t b ng m t mô hình dùng đ tính toán, bao g m

m t s h u h n ph n t riêng l liên k t v i nhau ch m t s h u h n đi m nút, t i các đ m nút t n t i các l c t ng tác bi u th tác đ ng qua l i c a các

ph n t k nhau Quan ni m nh v y có ngh a là thay bài toán tính h liên t c (h th c t ) có b c t do vô h n b ng bài toán tính h có b c t do h u h n

Ch phân cách gi a các ph n t h u h n g i là biên c a ph n t h u h n Tùy t ng tr ng h p c th , biên c a các ph n t h u h n có th là các

đi m, các đ ng ho c các m t Trong th c t k t c u là m t môi tr ng liên

t c cho nên t i m i đi m trên biên c a m i ph n t đ u có các l c t ng tác

gi a các ph n t T i m i đi m trên biên c a các ph n t h u h n, ng l c (ho c c t n c) c ng nh chuy n v đ u ph i th a mãn đi u ki n liên t c khi

ta chuy n t ph n t này sang ph n t k c n (đi u này s nói k v sau ) Trái l i, trong mô hình thay th , k t c u đ c quan ni m là ch g m m t s

ph n t riêng l liên k t v i nhau m t s đi m nút, cho nên gi a các ph n t lân c n ch có các l c t ng tác đ t t i các đi m nút

D nhiên quan ni m nh trên ch là g n đúng Trong khi thay th k t c u

th c t (h liên t c) b ng m t t p h p ph n t r i r c ch liên k t l i v i nhau các đi m nút, ng i ta th a nh n r ng, n ng l ng bên trong mô hình thay

th ph i b ng n ng l ng trong k t c u th c N u ta xác đ nh đ c chính xác

các l c t ng tác gi a các ph n t lân c n, và n u trên các biên c a các

ph n t lân c n, đi u ki n liên t c v l c và v chuy n v đ m b o đ c th a mãn khi ta chuy n t ph n t này sang ph n t lân c n thì mô hình thay th hoàn toàn gi ng v i k t c u th c t Trái l i, n u khi xác đ nh l c t ng tác qua l i gi a các ph n t lân c n ta ph i d a vào nh ng gi thi t g n đúng nào

đó, ho c đi u ki n liên t c v l c và v chuy n v trên các biên c a các

ph n t không đ m b o đ c th a mãn thì mô hình thay th ch ph n ánh

đ c g n đúng s làm vi c c a k t c u th c t

Sau này ta s th y r ng, nói chung n u mô hình thay th càng nhi u ph n

t h u h n thì k t qu tính toán s càng chính xác.Tuy nhiên v n đ không

ph i lúc nào c ng ch đ n gi n nh v y M c đ chính xác c a các k t qu tính toán theo PP PTHH, và v n đ n u ta t ng s ph n t h u h n c a các h

có ch c đ m b o s có k t qu tính ngày càng g n v i l i gi i chính xác hay không ph thu c vào n i dung v n đ đ chính xác và các tiêu chu n h i t

s đ tính khác nhau và đ c k t qu tính khác nhau Ti c r ng hi n nay ch a

có cách nào đ bi t trong s các s đ tính có cùng s các đi m nút nh nhau thì s đ nào s cho đ c k t qu tính t t nh t (chính xác h n c ) Cho nên

vi c phân chia các ph n t h u h n trên s đ tính sao cho tính toán đ c đ n

gi n nh t mà l i có đ c k t qu tính chính xác h n c ph thu c vào kinh nghi m và trình đ c a ng i thi t k

2.5.3 S d ng ph ng pháp ph n t h u h n đ gi i bài toán th m [14]

Nh đã nêu, ngày nay v i ti n b c a công ngh tin h c nhi u bài toán

đã đ c gi i và cho k t qu r t kh quan, đi u quan tr ng là chúng nhanh chóng đáp ng đ c nhu c u th c ti n trong xây d ng công trình hi n đ i

C s ph ng pháp là d a vào nguyên lý bi n phân mà phi m hàm đ c

q dV

H K

H K

x y x

x v

2 2

g h

i

y

x

x o

Hình 2-3: S đ r i r c hoá mi n tính toán b ng các ph n t tam giác

Ω

d Hl K

q

y = 0

Trong đó :

KR x R, KR y R và K l n l t là các h s th m theo ph ng x,y, và h s th m trung bình trong mi n tính toán

Q: l u l ng th m b sung vào mi n tính toán

V,Ω là th tích và đ ng biên c a mi n tính toán

Ti n hành r i r c hóa mi n tính toán b ng các ph n t tam giác (xem

hình 2-3), xét các ph n t tam giác có 3 đi m nút i,j,k

H H

α α α

k k

j j

i i

y x l

y x l

y x l

α α

α

= MP

-1

P e RHR e R = AR e RHR e R(2.5)

k j i

k j i

c c c

b b b

a a a

2 1

R

S : Là di n tích c a ph n t :

2S = x i y jk +x j y ki+x k y ij

) ( , , ,

; ,y y y m n i j k m n x

2 1

2 2

e e

e

e

H

L H

L

(2.14) Thay (2.12) vào (2.14) tao có :

e e

e e

23 22 21

13

K K K

K K K

K K K

F F

F

ω

d L N K

23 11

2

1

x K y K S

13 2

1

x x K y y K S