Nghiên cứu ổn định trượt móng trụ điện trên sườn dốc - Dự án thủy điện Đakmi 4

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG LÊ MINH CẢNH NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH TRƯỢT MĨNG TRỤ ĐIỆN TRÊN SƯỜN DỐC - DỰ ÁN THỦY ĐIỆN ĐAKMI 4 Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy Mã số: 60.58.40 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2012 2 Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. NGUYỄN THẾ HÙNG Phản biện 1: PGS.TS Phan Cao Thọ Phản biện 2: TS. Phạm Kim Sơn Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 12 tháng 5 năm 2012. Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 3 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Vị trí 50 lựa chọn phân tích cĩ độ dốc cao nhất trong tất cả các vị trí mĩng trên tuyến đường dây 220kV đấu nối NMTĐ Đak Mi 4A- TBA 500/220kV Thạnh Mỹ đi qua địa phận huyện Phước Sơn và huyện Nam Giang. 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng, nguyên nhân gây trượt mái dốc và lý thuyết của các phương pháp tính ổn định trượt mái dốc; Các tài liệu khảo sát kỹ thuật, thiết kế kỹ thuật của cơng trình. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết tính tốn ổn định mái dốc trên nền đất khơng bão hịa và các yếu tố bất lợi ảnh hưởng đến ổn định trượt mĩng trụ điện trên sườn dốc. 3. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Mục tiêu: Phân tích, đánh giá độ ổn định của nền mĩng cơng trình, kiến nghị thiết kế mặt cắt hợp lý, làm tăng độ ổn định cho cơng trình trong mọi chế độ làm việc. Nhiệm vụ: Thu thập số liệu, lựa chọn phương pháp phân tích ổn định trượt của cơng trình và đề xuất các giải pháp thiết kế, thi cơng mĩng cơng trình trên cơ sở đảm bảo kinh tế - kỹ thuật. 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Thu thập hồ sơ thiết kế cơng trình, số liệu địa hình, địa chất, địa chất thuỷ văn, khí tượng thủy văn, số liệu tính tốn tải trọng truyền xuống mĩng vị trí cĩ khả năng gây sạt trượt nhất. - Tích hợp hai mơ đun SEEP/W và mơ đun SLOPE/W để tính tốn, lựa chon phương pháp phân tích tối ưu của bài tốn ổn định trên sườn đồi dốc, đề xuất thiết kế mặt cắt kinh tế. 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Cách tiếp cận: Sử dụng phương pháp tiếp cận lịch sử 4 Kế thừa hệ thống lý thuyết đã được xây dựng và phát triển. Kinh nghiệm sử dụng bộ phần mềm GEOSTUDIO 2004 V6.02 của nhiều tác giả trong và ngồi nước. Thu thập hồ sơ thiết kế kỹ thuật, báo cáo khảo sát kỹ thuật của cơng trình đường dây 220kV đấu nối NMTĐ Đak Mi 4A- TBA 500/220kV Thạnh Mỹ - Dự án thủy điện Đak Mi 4. Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các phương pháp tính thấm và tính ổn định trong mơi trường đất, đá và hai mơ đun SEEP/W SLOPE/W. 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Đối với lĩnh vực khoa học cĩ liên quan: Việc tính ổn định cơng trình trong đĩ xét đến ảnh hưởng của thấm do mưa là quan điểm đúng đắn khi giải bài tốn ổn định mái dốc nền đất, đá. Đối với thực tiễn sản xuất: Thống nhất quan điểm tính tốn, nhằm cung cấp, phổ biến cho các đồng nghiệp, cán bộ thiết kế hiểu đúng và rõ quá trình tính tốn ổn định nền mĩng cơng trình trên mái dốc. 7. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Luận văn ngồi các phần mở đầu, kết luận và kiến nghị cịn bốn chương chính được biên chế cụ thể như sau: Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu tính ổn định mái dốc dưới ảnh hưởng của mưa Chương 2: Đặc điểm chung tuyến đường dây 220kV thủy điện Đak Mi 4. Chương 3: Lý thuyết tính tốn ổn định mái dốc trên nền đất khơng bão hịa. Chương 4: Ứng dụng phần mềm Geo studio 2004 V6.02 phân tích ổn mĩng trụ điện trên sườn dốc – Dự án thủy điện ĐakMi 4. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ TÍNH ỔN ĐỊNH MÁI DỐC DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA 1.1 GIỚI THIỆU Tích hợp phân tích thấm và phân tích ổn định phải được thực hiện đồng thời là rất hợp lý trong tính tốn ổn định mái dốc đặc biệt đối với những vùng thường xuyên cĩ mưa lớn. 1.2 HIỆN TƯỢNG VÀ NGUYÊN NHÂN GÂY TRƯỢT MÁI DỐC 1.2.1. Hiện tượng trượt mái dốc đất, đá và một số khái niệm 1.2.2. Nguyên nhân trượt mái dốc 1.2.3. Cơ chế của quá trình mưa gây nên sự phá hoại mái dốc 1.3 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ĐẤT KHƠNG BÃO HỊA LIÊN QUAN ĐẾN PHÂN TÍCH DỊNG THẤM 1.3.1 Dịng thấm trong đất khơng bão hịa Dịng chảy trong đất khơng bão hịa cĩ thể phân chia thành hai loại: dịng chảy ổn định và dịng chảy khơng ổn định. 1.3.2 Độ bền chống cắt của đất khơng bão hịa Được thể hiện qua cơng thức tổng quát cho cả đất bão hịa và đất khơng bão hịa ( ) ( ) bwaa uuuc φφστ tantan '' −+−+= (1.2) 1.3.3 Đường cong đặc trưng đất-nước (SWCC) 1.3.4 Hàm thấm thủy lực 6 Hàm này cĩ thể đạt đến một hằng số khi đất đạt đến trạng thái bão hịa và nĩ sẽ cân bằng với hệ số thấm bão hịa của đất (ksat). 1.4 QUAN NIỆM TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC TRÊN ĐẤT KHƠNG BẢO HỊA HIỆN NAY 1.5 ỔN ĐỊNH MÁI DỐC Yếu tố quan trọng gây nên sự mất ổn định mái dốc và dẫn tới sự phá hoại là: Trọng lực; Lực thấm; Xĩi mịn bề mặt do dịng chảy; Sự hạ thấp đột ngột của mực nước ngay sát mái dốc; Do động đất 1.5.1 Các phương pháp truyền thống phân tích ổn định mái dốc 1.5.2 Phân tích ổn định mái dốc bằng phương pháp xác suất Sự ổn định của một mái dốc là một quá trình ngẫu nhiên phụ thuộc vào sự phân bố của các thơng số được kiểm sốt. SLOPE/W cho phép sử dụng kỹ thuật phân tích ổn định bằng mơ hình xác suất với mơ phỏng Monte Carlo. 7 CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM CHUNG TUYẾN ĐƯỜNG DÂY 220KV CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ĐAK MI 4 2.1 .VỊ TRÍ ĐỊA LÝ Vị trí mĩng trụ đường dây 220kV số 50 nằm trên sườn dốc lớn nhất trong tồn tuyến đường dây đi. 2.2 . ĐIỀU KIỆN ĐỊA HÌNH, ĐỊA CHẤT CƠNG TRÌNH 2.2.1 . Điều kiện địa hình cơng trình Tuyến cơ bản đi bám theo đường Hồ Chí Minh và đường dây 500kV Bắc - Nam (mạch 1). Địa hình chủ yếu đi qua vùng rừng rậm và đồi núi dốc. 2.2.2 .Điều kiện địa chất cơng trình. 2.2.2.1 . Cấu tạo địa chất Cấu tạo địa chất gồm các lớp đất đá như sau: Dưới cùng là lớp đá gốc phong hố từ mạnh đến nhẹ; Bên trên là lớp sét, á sét, sét cĩ sỏi sạn, á sét sỏi sạn tảng. Tuổi eluvi, deluvi - kỷ Đệ Tứ (ed-Q). 2.2.2.2 . Tính chất cơ lý của đất 2.3 . ĐIỀU KIỆN KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN, ĐỊA CHẤT THỦY VĂN 2.3.1. Điều kiện khí tượng cơng trình 2.3.1.1 . Đặc điểm chung Mùa mưa bắt đầu từ tháng IX, kết thúc vào tháng XII hàng năm, tổng lượng mưa trung bình nhiều năm khoảng 2928 mm 8 2.3.1.2 . Các đặc trưng khí hậu cơ bản Áp lực giĩ: Theo bản đồ phân vùng áp lực giĩ TCVN 2737-1995 và quy phạm trang bị điện 11 TCN-19-2006, áp lực giĩ trong vùng được xác định là 60daN/m2. 2.3.2. Điều kiện địa chất thuỷ văn Căn cứ vào kết quả nghiên cứu tại hiện trường cho thấy khu vực tuyến đường dây cĩ mực nước ngầm khá sâu, ở độ sâu 6-7 m nước ngầm chưa xuất hiện. 2.3.3. Điều kiện địa chất động lực Theo bảng phân vùng gia tốc nền và bảng chuyển đổi từ đỉnh gia tốc nền sang cấp động đất của TCXDVN 375:2006 khu vực tuyến đường dây cĩ 2 vùng địa chấn lan truyền theo thang địa chấn MSK - 64, khu vực thuộc huyện Nam Giang cĩ cấp động đất cấp VI, khu vực thuộc huyện Phước Sơn cĩ cấp động đất cấp VII. 9 CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC TRÊN NỀN ĐẤT KHƠNG BẢO HỊA 3.1 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC 3.1.1 Hệ số an tồn (FS) a. Hệ số an tồn cân bằng mơ men: b. Hệ số an tồn cân bằng lực: 3.1.2 Phương pháp lát cắt 3.1.3 Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLE) Phương pháp GLE dựa trên hai phương trình hệ số an tồn theo cân bằng mơ men (Fm) và phương trình khác hệ số an tồn theo cân bằng lực phương ngang (Ff). Hệ số an tồn cân bằng mơ men của phương pháp GLE như sau: (3.3) Phương trình hệ số an tồn cân bằng lực theo phương ngang (3.4) Để giải được phương trình (3.3) và phương trình (3.4), chiếu lên phương đứng của tổng các lực tác dụng lên mỗi phân tố đất, lực pháp tuyến tại đáy phân tố đất được xác định như sau: 10 (3.5) Lực pháp tuyến N thường được giải lặp, ban đầu giả thiết bỏ qua lực cắt X, và lực pháp tuyến tại mỗi cột đất phân tố. Chiếu tất cả các lực tác dụng lên mỗi cột đất phân tố theo phương thẳng gĩc với đáy cột đất phân tố ta được lực pháp tuyến: (3.6) Sử dụng (3.6) để giải (3.3) và (3.4) cho giá trị xuất phát của việc xác định hệ số an tồn. Hệ số an tồn thu được khi sử dụng phương trình đơn giản này là phương pháp hệ số an tồn Fellenius hoặc Ordinary. Nếu ta bỏ qua lực cắt bên trong, X, nhưng ta giữ lại lực pháp tuyến bên trong, E, thì phương trình pháp luyến đáy phân tố đất viết như sau: (3.7) Khi sử dụng phương trình này cho lực pháp tuyến ở đáy thì hệ số an tồn về phương diện cân bằng mơ men là hệ số an tồn theo phương pháp Bishop’s Simplified, và hệ số an tồn về phương diện cân bằng lực là hệ số an tồn theo phương pháp Janbu’s Simplified. 3.1.4 Phương pháp Morgenstern - Price (M-P): 11 - Xem xét cả lực tiếp tuyến và pháp tuyến trong nội lực - Thỏa mãn cả cân bằng lực và cân bằng mơ men, và - Cho phép sử dụng nhiều hàm nội lực cĩ thể lựa chọn Phương pháp M-P cho phép sử dụng nhiều hàm nội lực hơn, những hàm nội lực cĩ trong SLOPE/W dùng cho phương pháp M-P bao gồm: Hàm hằng số; Hàm nữa sin; Hàm sin- cụt; Hàm hình thang; Hàm nhập dữ liệu điểm. Nếu lựa chọn hàm hằng số thì phương pháp M-P trở thành phương pháp Spencer. 3.1.5 Phương pháp phân tích xác suất SLOPE/W cho phép dùng các hàm phân bố chuẩn thường được gọi là hàm phân phối Gauss mơ tả sự biến đổi của các thơng số nhập trong phân tích xác suất: x xf       − −= 2 2 2 )( exp 2 1)( σ µ piσ , -∞ < x < ∞ (3.8) Trong đĩ: f(x): tần số tương đối σ : độ lệch chuẩn (độ lệch quân phương) µ : giá trị trung bình. Chỉ số độ tin cậy, β, mơ tả sự ổn định của mái dốc bằng số lần lệch chuẩn khỏi hệ số an tồn trung bình từ giá trị phá hoại được xác định là 1 σ µβ )1( −= (3.9) 3.1.5.1 Phân tích xác suất theo phương pháp Monte Carlo Quá trình thực hiện của phương pháp bao gồm các bước sau: 12 • Lựa chọn một thuật giải tất định, chẳng hạn là phương pháp Mongestern – Price. • Quyết định các thơng số đầu vào cĩ thể được mơ hình hĩa trong phân tích xác suất và thể hiện sự biến đổi của các thơng số này dưới dạng mơ hình phân bố được lựa chọn. • Tính tốn nhiều lần tương ứng số lượng phép thử để xác định các FS từ đĩ xây dựng hàm phân bố của hệ số an tồn và tính các thơng số phân tích theo xác suất. Trong SLOPE/W, một mặt trượt nguy hiểm nhất được xác định đầu tiên. Sau đĩ phân tích xác suất được thực hiên trên những bề mặt cung trượt giới hạn này, cĩ tính đến sự biến đổi của các thơng số đầu vào. 3.1.5.2. Sự biến đổi của thơng số 3.1.5.3. Sự tạo thành các số ngẫu nhiên 3.1.5.4. Hệ số tương quan 3.2 CÁCH TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC BẰNG SLOPE/W Tích hợp hai mơ đun SEEP/W và SLOPE/W để phân tích đánh giá ổn định của cơng trình trụ điện xây dựng trên sườn dốc dưới ảnh hưởng của quá trình mưa và động đất. 3.2.1 SEEP/W SEEP/W là một mơ đun trong số bảy mơ đun của GEO STUDIO V6.02, nĩ cĩ thể phân tích các dạng bài tốn: 1.Dịng thấm cĩ áp, khơng áp; 2.Ngấm do mưa; thấm từ bồn chứa; 4. áp lực nước lỗ rỗng dư; 5. thấm ổn định, khơng ổn định. 3.2.1.1 Định luật Darcy 13 SEEP/W được mơ phỏng dựa trên cơ sở là dịng chảy qua đất bão hịa và khơng bão hịa tuân theo định luật Darcy. 3.2.1.2 Phương trình vi phân riêng của dịng thấm Phương trình vi phân tổng quát trong trường hợp thấm hai chiều cĩ thể mơ tả như sau: t Q y Hk yx Hk x yx ∂ ∂ =+      ∂ ∂ ∂ ∂ +      ∂ ∂ ∂ ∂ θ (3.16) Dưới điều kiện trạng thái ổn định, dịng chảy vào và dịng chảy ra trong một đơn vị thể tích là giống nhau trong mọi thời điểm. Do đĩ vế phải của phương trình triệt tiêu và phương trình đơn giản cịn: 0=+      ∂ ∂ ∂ ∂ +      ∂ ∂ ∂ ∂ Q y Hk yx Hk x yx (3.17) Hàm lượng nước thể tích chỉ phụ thuốc vào sự biến đổi của trạng thái ứng suất (ua-uw), và với ua khơng đổi thì sự biến đổi hàm lượng nước thể tích là một hàm chỉ phụ thuộc vào sự biến đổi của áp lực nước lỗ rỗng. Do đĩ, sự thay đổi hàm lượng nước thể tích cĩ thể liên hệ với sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng bởi phương trình sau: ww um ∂=∂θ (3.18) Với: mw là độ dốc của đường cịng trữ nước Tổng cột nước thủy lực H, được định nghĩa như sau: yuH w w += γ (3.19) 14 Với : uw – là áp lực nước lỗ rỗng (kPa). γw – dung trọng riêng của nước (kPa). y- cao độ (m). Phương trình (3.19) cĩ thể được viết lại thành uw = γw (H-y) Thế phương trình (3.19) vào phương trình (3.18) ta cĩ phương trình sau: ( )yHm ww −∂=∂ γθ (3.20) Bây giờ cĩ thể thế phương trình trên vào phương trình (3.16), dẫn tới phương trình sau: ( ) t yH mQ y Hk yx Hk x wwyx ∂ −∂ =+      ∂ ∂ ∂ ∂ +      ∂ ∂ ∂ ∂ γ (3.21) Do cao độ là một hằng số, đạo hàm của y theo thơi gian sẽ bị triệt tiêu, cịn lại phương trình vi phân sử dụng trong SEEP/W phần tử hữu hạn. t H mQ y Hk yx Hk x wwyx ∂ ∂ =+      ∂ ∂ ∂ ∂ +      ∂ ∂ ∂ ∂ γ (3.22) Để giải một vấn đề trong dịng chảy khơng bão hịa, SEEP/W sử dụng hai hàm: • Hàm thấm thủy lực • Hàm đặc trưng đất - nước 3.2.1.3 Giải bài tốn thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn 15 Trong hình thức viết tĩm tắt, phương trình phần tử hữu hạn thấm cĩ thể được viết như sau: [K] {H} + [M] {H}, t = {Q} (3.25) [K] – ma trận đặc trưng của phần tử ( hay cịn gọi là ma trận độ cứng) [ ] [ ] [ ][ ]( )dABCBtK A T ∫= (3.26) [M] – ma trận khối lượng của phần tử [ ] ( )∫ 〉〈〉〈= A T dANNM λτ (3.27) {Q} – Vector chỉ lưu lượng của phần tử Phương trình (3.25) là phương trình phần tử hữu hạn tổng quát viết gọn cho phân tích thấm khơng ổn định. Đối với trường hợp thấm ổn định, thì cột nước khơng phải là hàm của thời gian và do đĩ H},t sẽ bị triệt tiêu, phương trình phần tử hữu hạn lúc này giảm đi cịn lại: [K]{H}={Q} (3.29) 3.2.1.4 Các bước thiết lập và giải bài tốn thấm bằng SEEP/W 1. Mơ hình hĩa bài tốn 2. Định nghĩa đặc tính vật liệu 3. Gán điều kiện biên 16 4. Xác định loại phân tích 5. Kiểm tra lỗi, giải bài tốn và xem kết quả 3.2.2 SLOPE/W SLOPE/W là một phần mềm đứng đầu về tính ổn định mái dốc cho tính tốn hệ số an tồn mái dốc theo phương pháp cân bằng giới hạn. SLOPE/W cĩ thể tích hợp với SEEP/W để giải bài tốn ổn định cĩ kể đến lực thấm của dịng chảy ngầm và áp lực nước lỗ rỗng. 3.2.2.1 Các thơng số yêu cầu để phân tích ổn định trong SLOPE/W Các bước thiết lập bài tốn ổn định trong SLOPE/W cụ thể như sau: 1. Tích hợp tính tốn trong mơ đun SEEP/W sang mơ đun SLOPE/W. 2. Định nghĩa tính chất vật liệu của các lớp đất, đá. 3. Gán tải trọng 4. Vẽ lưới và bán kính cung trượt 5. Kiểm tra lỗi, giải bài tốn và xem kết quả. 17 CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM GEO STUDIO 2004 V6.02 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH MĨNG TRỤ ĐIỆN TRÊN SƯỜN DỐC - DỰ ÁN THỦY ĐIỆN ĐAK MI 4 4.1 DỮ LIỆU YÊU CẦU ĐỂ TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH Dữ liệu yêu cầu cho bài tốn phân tích ổn định trong SLOPE/W: điều kiện áp lực nước lỗ rỗng, dung trọng, hệ số thấm, gĩc nội ma sát, lực dính hiệu quả, số liệu mưa và tải tọng truyền xuống mĩng. 4.1.1 Mặt cắt vị trí cơng trình lựa chọn 4.1.2 Đặc điểm tính chất vật liệu Đối đối với bài tốn thấm trong vùng khơng bão hịa, người ta dùng một hàm số để mơ tả khả năng thấm nước của đất, đá như sau: ( )[ ]wa uuSfk −= ,,θ (4.1) SEEP/W đã xây dựng một thư viện hàm thấm mơ tả 24 loại đất khác nhau, mỗi loại đất cĩ một hệ số thấm K nhất định. 4.1.3 Tài liệu mưa Theo TCVN285-2002 tương ứng với tần suất mưa thiết kế là p= 0,5%. Vẽ đường tần suất mưa ứng với liệt tài liệu 28 năm, với p = 0,5% ta cĩ lượng mưa tính tốn R = 5866 mm/năm. 4.2 MƠ HÌNH BÀI TỐN THẤM TRONG SEEP/W 4.2.1 Các giả thiết sử dụng trong phân tích thấm 4.2.2 Gán điều kiện biên mưa trong mơ đun SEEP/W 18 Hình 4.6 Gán điều kiện biên mưa lên bề mặt mái dốc trong SEEP/W Điều kiện biên: (i) Biên AB và CD cho cao trình mực nước ngầm; (ii) Biên BD cho mưa rơi hoặc khơng cho mưa rơi; (iii) Biên AC cho lưu lượng nước ngầm bằng khơng, Q = 0. Cụ thể điều kiện biên được cho ở các trường hợp tính tốn như bảng 4.1 sau đây: Bảng 4.1. Mơ tả cách gán điều kiện biên cho bài tốn thấm T T Trường hợp Biên AB (m) Biên CD (m) Biên AC (m³/s) Biên BD (m/s) 1 Trường hợp 1 H = 0 H = 0 Q = 0 q = 0 2 Trường hợp 2 H = 0 H = 0 Q = 0 q = 1,86x10-7 3 Trường hợp 3 H = 67 H= 20,31 Q = 0 q = 0 4.2.3 Giải bài tốn thấm Kiểm tra lỗi trước khi chạy chương trình bằng thủ tục Tools/Verify; giả bằng thủ tục Tools/SOLVE. 19 4.3 TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH BẰNG SLOPE/W 4.3.1 Tính ổn định theo mơ hình tất định 4.3.1.1 Các trường hợp tính tốn Trường hợp 1: Phân tích ổn định mái dốc chỉ sử dụng mơ đun SLOPE/W, khơng xét đến ảnh hưởng áp lực nước lỗ rỗng do mưa, và giả thiết mực nước ngầm nằm ở dưới sâu. Trường hợp 2: Phân tích ổn định mái dốc sử dụng tích hợp hai mơ đun SLOPE/W và SEEP/W cĩ xét đến ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng do mưa. Trường hợp 3: Phân tích ổn định mái dốc sử dụng tích hợp hai mơ đun SLOPE/W và SEEP/W cĩ xét đến ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng do mưa và ảnh hưởng của động đất. Trường hợp 4: Phân tích ổn định mái dốc chỉ sử dụng mơ đun SLOPE/W và giả thiết mái dốc bão hịa hồn tồn và cĩ xét ảnh hưởng của động đất. 4.3.1.2 Dữ liệu cho bài tốn ổn định Vật liệu đất, đá được khai báo theo mơ hình Morh – Colum, riêng lớp đá gốc được khai báo là Bedrock. 4.3.1.3 Tải trọng tính tốn truyền vào cơng trình Sử dụng kết quả tính tốn tổ hợp nội lực bất lợi nhất cĩ khả năng xảy ra cho cơng trình trong mọi chế độ làm việc. 4.3.1.4 Kiểm tra và chạy chương trình 4.3.1.5 Hiển thị kết quả SLOPE/W cho phép xem giá FS tương ứng với cung trượt nguy hiểm nhất tương ứng các trường hợp được thể hiện trong bảng 4.2 như sau: 20 Bảng 4.2. Kết quả các phương pháp phân tích theo mơ tất định FS theo Phương pháp Morgenstern - Price GLE Ghi chú Các trường hợp phân tích Ff Fm Ff Fm Trường hợp 1 1,382 1,379 1,386 1,386 TVĐ4 Trường hợp 2 1,310 1,314 1,321 1,321 Trường hợp 3 1,202 1,197 1,202 1,202 Trường hợp 4 1,062 1,067 1,062 1,062 4.3.1.6 So sánh kết quả phương pháp phân tích theo mơ hình tất định và TCVN285-2002 . Theo tiêu chuẩn TCVN285-2002, để đảm bảo kết cấu và nền cơng trình an trong tính tốn, hệ số an tồn nhỏ nhất phải thỏa mãn theo biểu thức sau: m Kn N RK nc tt ≥= (4.3) . Mơ hình tất định cho phép phân tích theo nhiều phương pháp khác nhau, tuy nhiên chưa cĩ câu trả lời chính xác phương pháp nào tốt nhất, vì các thơng số đầu vào là số cố định. 4.3.2 Tính ổn định theo mơ hình phân tích xác suất Với việc phân tích ổn định mái dốc theo mơ hình xác suất cho phép đánh giá xác suất phá hoại của mái dốc, chỉ số độ tin cậy, độ lệch chuẩn của hệ số an tồn. Quá trình thực hiện một phân tích 21 xác suất theo Monte Carlo được thực hiện như sau: • Chọn một lời giải tất định, chẳng hạn như phương pháp M – P, hoặc GLE. • Xác định các thơng số biến đổi của các thơng số nhập µ và độ lệch quân phương δ đã định trước. • Tính mặt trượt nguy hiểm nhất trên cơ sở các giá trị trung bình của các thơng số đầu. • Phân tích xác suất được thực hiện sau đĩ, trên mặt trượt nguy hiểm nhất, sử dụng các thơng số đầu vào biến đổi để tính các hệ số an tồn tương ứng FS1, FS2,…, FSn • Thực hiện phân tích xác suất từ chuổi các hệ số an tồn FSi tính được, từ đĩ tìm được hàm mật độ xác suất, phân bố xác suất, xác xuất phá hoại và độ tin cậy. 4.3.2.1. Thơng số vật liệu và tải trọng tính tốn theo quan điểm xác suất. Các loại vật liệu và thơng số nhập như tải trọng truyền xuống mĩng, tải trọng động đất được giả thiết là hàm phân bố chuẩn với giá trị trung bình và độ lệch chuẩn. 4.3.2.2. Kết quả của phân tích theo mơ hình xác suất Phân tích xác suất đưa đến các thơng số cĩ ý nghĩa hơn trong quá trình đánh giá độ ổn định mái dốc như thế nào? Khả năng phá hoại nĩ ra sao? Độ tin cậy bao nhiêu? 4.3.3 Kết quả và bàn luận Quá trình phân tích ổn định mái dốc theo mơ hình xác suất, sử dụng mơ phỏng Monte Carlo đã trả lời được bốn câu hỏi mà mơ hình phân tích theo tất định hoặc thiếu hoặc khơng trả lời chính xác, đĩ là: 22
Hệ số an tồn
Độ lệch chuẩn,
Xác xuất phá hoại,
Chỉ số độ tin cậy. Khơng cĩ mối quan hệ trực tiếp giữa hệ số an tồn và xác suất phá hoại, cĩ nghĩa là một mái dốc cĩ hệ số an tồn cao chưa hẵn đã ổn định hơn một mái dốc cĩ hệ số an tồn thấp hơn (Harr, 1987). Ví dụ, kết quả của tính tốn của chương trình với mái dốc với hệ số an tồn bằng FS = 1,2093 và độ lệch chuẩn SD = 0,129 sẽ cĩ xác suất phá hoại P(F) = 4,73 % cao hơn mái dốc cĩ hệ số an tồn FS = 1,2061 và độ lệch chuẩn SD = 0,086 cĩ xác suất phá hoại 0,84 %. Do đĩ chỉ số độ tin cậy cung cấp một giá trị cĩ ý nghĩa hơn hệ số an tồn. Đĩ cũng là sự tối ưu của phân tích ổn định mái dốc theo mơ hình xác suất so với phân tích theo mơ hình tất định, và đây cũng chính là sự mới mẽ trong nghiên cứu của tác giả. 4.3.4 So sánh kết quả của tác giả với các tiêu chuẩn liên quan ở Việt Nam. Với việc phân tích ổn định mĩng trụ điện xây dựng trên mái dốc cĩ xét đến các yếu tố ảnh hưởng như: thấm do mưa, động đất và phân tích theo hai mơ hình xác xuất và mơ hình tất định tác giả nhận thấy rằng: kết quả tính tốn theo trường hợp 3 với hệ số an tồn theo cả hai phương pháp M – P và phương pháp GLE sát với giá trị [K] cho phép theo TCVN285-2002. Với phân tích theo mơ hình xác suất và cĩ kể đến các yếu tố bất lợi đã đề cập trong luận văn này đã nĩi lên được sự cần thiết của đề tài mà tác giả đã nghiên cứu, nĩ giúp ích cho các đồng nghiệp, các kỹ sư, sinh viên và những ai quan tâm đến bài tốn thiết kế, kiểm tra 23 ổn định nền mĩng cơng trình xây dựng trên sườn dốc cĩ độ dốc lớn trong điều kiện khí hậu biến đổi phức tạp. Tĩm lại để cĩ kết quả đúng đắn an tồn và kinh tế trong thiết kế cơng trình xây dựng trên sườn dốc cần xem xét bài tốn với các yếu tố gây bất lợi như tác giả đã sử dụng phân tích trong luận văn này: kể đến sự thấm do mưa một, kể đến động đất, và phân tích theo mơ hình xác suất. 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Việc sử dụng tích hợp hai mơ đun SLOPE/W và mơ đun SEEP/W vào trong phân tích ổn định mĩng của trụ điện xây dựng trên sườn dốc cĩ kể đến các điều kiện bất lợi cho cơng trình theo hai mơ hình tất định và xác suất mà tác giả đã sử dụng trong luận văn này là một quan điểm đúng đắn cho tính tốn, kiểm tra ổn định mái dốc, nĩ thể hiện quan điểm tính tốn hiện đại phù hợp với yêu cầu thực tế. Kết quả phản ánh đầy đủ tính chất ngẫu nhiên của FS, các thơng số đầu vào, và của vật liệu đất, đá trong cấu tạo mái dốc, mặt khác nĩ cũng xét đến sự khơng chắc chắn chính xác của thực tế thi cơng xây dựng cơng trình so với hồ sơ bản vẽ thiết kế vì quá trình thi cơng sẽ cĩ sự sai khác so với thiết kế. Hệ số an tồn thu được thơng qua tính tốn là thơng số ngẫu nhiên, với độ lệch chuẩn, xác suất phá hoại, và độ tin cậy. Nĩ đã trả lời được câu hỏi mà mơ hình tất định khơng thể trả lời được. Mặc dù đã rất cố gắng thế nhưng luận văn cịn cĩ một số hạn chế nhất định:
Số liệu khảo sát khơng đầy đủ cho phân tích xác suất nên tác giả chỉ giả thiết độ lệch chuẩn một cách chủ quan;
Trong các phương pháp cân bằng giới hạn sử dụng trong luận văn chỉ phân tích theo các cơng thức cân bằng tĩnh 25 học, bỏ qua ứng suất biến dạng dẫn đến kết quả chính xác khơng cao;
Do hạn chế về thời gian nghiên cứu và khơng tập trung nên luận văn chưa cĩ điều kiện nghiên cứu sâu hơn.
Nếu cĩ thời gian và số liệu nên phân tích bài tốn phụ thuộc theo thời gian nhưng mưa ngày, mưa giờ. KIẾN NGHỊ Nếu được nên sử dụng kết hợp thêm ba mơ đun SEEP/W, SLOPE/W và SIGMA/W để phân tích ổn định theo phương pháp phần tử hữu hạn nhằm nâng cao độ chính xác. Khi thiết kế mới cơng trình, người chủ nghiệm thiết kế hoặc chủ trì thiết kế bộ mơn cần phải yêu cầu lập báo cáo khảo sát một cách chặt chẽ, đầy đủ và sâu sắc để cho quá trình phân tích tính tốn chính xác bao gồm:1. thí nghiệm xác định hệ số thấm của đất đá, nếu cĩ điều kiện nên xác định hàm thấm; 2. Xác định các thơng số kháng cắt của vật liệu theo [5, phụ lục A]. Nên sử dụng hàm thấm thay cho hệ số thấm để nâng cao độ chính xác. Các tiêu chuẩn [3], [7] cần được hiệu chỉnh để phù hợp với yêu cầu tính tốn với sự phát triển của khoa học cơng nghệ, đặc biệt là phương pháp số trong cơ học và khả năng của máy tính hiện nay. Đối với vấn đề thi cơng cần tuân thủ một số nội dung sau đây để nâng cao ổn định cho cơng trình: - Nên thi cơng mĩng cơng trình xong trước mùa mưa 26 - Thi cơng theo từng lớp đất dày 20 cm và đầm kỹ đạt độ chặt thiết kế. - Tuyệt đối khơng đào đất ở ta luy âm (chân mái dốc) để đắp làm phá vở kết cấu đất tự nhiên.