Nghiên cứu tính thấm qua đập đất nhiều khối có dải lọc đứng

NGHIÊN CỨU TÍNH THẤM QUA ĐẬP ĐẤT NHIỀU KHỐI CÓ DẢI LỌC ĐỨNG. STUDYING THE SEEPAGE OF EARTH DAMS WITH VERTICAL DRAINAGE SVTH: Nguyễn Văn Nhân Lớp: 01X2B - Khoa XDTL-TĐ CBHD: GVC.ThS. Lê Văn Hợi TÓM TẮT Đề tài này nghiên cứu tính thấm qua đập đất nhiều khối có dải lọc đứng bằng phương pháp Thủy Lực học và phương pháp Phần Tử Hữu Hạn với phần mềm Seep/w trên mô hình đập thực tế. Kết quả của hai phương pháp được so sánh để có những kết luận cần thiết, giúp cho việc tính toán thiết kế loại đập này được an toàn và tiết kiệm. ABSTRACT Based on the Method hydraulics and the finite element technique with modul Seep/W, this paper studied the seepage of earth dams with vertical drainage. The results from two methods has been compared to draw conclusions which are necessary to look for the sensible way of designe of earth dams. 1. MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Nam Trung bộ và Tây Nguyên là khu vực có điều kiện tự nhiên khá phức tạp, vật liệu đất đắp đập có nhiều tính chất đặc biệt (trương nở, co ngót , lún ướt, tan rã), là nơi đã xãy ra nhiều sự cố về đập nhất nước ta trong thập niên 80-90. Đã có nhiều hội thảo, nhiều đề tài nghiên cứu khoa học để phân tích nguyên nhân và đề xuất biện pháp khắc phục cho hạng mục đập trong công tác thiết kế , thi công, quản lý vận hành. Qua đó đã đề xuất kết cấu đập vật liệu địa phương hợp lý cho khu vực là đập nhiều khối. Nhằm khắc phục các tính chất đặc biệt của đất đắp đập ở khu vực miền Trung, cho đến nay thì đã có nhiều giải pháp. Giải pháp mặt cắt đập nhiều khối được các nhà khoa học, các kỹ sư tư vấn thiết kế đề xuất sau sự cố đập Suối Hành đã được áp dụng khá phổ biến và cơ sở khoa học thiết kế mặt cắt hợp lý của đập nhiều khối có dải lọc cũng đã được các nhà khoa học nghiên cứu đưa ra. Tuy nhiên, một vấn đề nảy sinh khi ra đời loại đập nhiều khối có dải lọc đứng đó là mô hình hoá sơ đồ và phương pháp tính thấm cho loại đập này hiện tại còn nhiều khó khăn và bất cập, chưa có một quy định thống nhất nhất nào đưa ra về phương pháp tính thấm cho đập đất loại này. Vì vậy “Nghiên cứu tính thấm qua đập đất nhiều khối có dải lọc đứng ” là vấn đề cần thiết, mang tính thực tiễn cao. 1.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài Đưa ra được những nhận định về phương pháp tính thấm hiện nay (phương phápThủy Lực học) khi áp dụng đối với loại đập nhiều khối có dải lọc nước trong thân đập. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ chỉ ra tính hợp lý của các quan niệm sơ đồ tính thấm và đề xuất phương pháp tính nên áp dụng cho loại đập này. 1.3 Đối tượng nghiên cứu Đề tài sẽ đi theo hướng phân tích tính toán cho một mô hình thực tế về loại đập có mặt cắt 3 khối có dải lọc phổ biến hiện nay ở Miền Trung và Tây Nguyên . Trên cơ sở ứng dụng phương pháp Thủy Lực học và phương pháp PTHH để tính thấm xác định 3 đại lượng cơ bản: Lưu lượng thấm Đường bảo hòa trong thân đập. Gradien thấm trong thân đập và các vùng tiếp giáp. 1.4 Phạm vi nghiên cứu Loại đập nghiên cứu: Đập đất 3 khối vật liệu địa phương có dải lọc đứng trong thân đập. Phương pháp tính toán: Phương pháp Thủy Lực và sử phần mềm SEEP/W. 1.5 Ý nghĩa khoa học của đề tài Trên cơ sở những kết quả đạt được, đề tài nghiên cứu sẽ đề xuất phương pháp tính thấm thích hợp, an toàn hơn phương pháp Thủy Lực học hiện nay khi áp dụng cho loại đập đất có mặt cắt nhiều khối có dải lọc. Loại đập phổ biến ở Miền Trung và Tây Nguyên nước ta. 2. TỔNG QUAN 2.1 Đặc điểm loại đập nhiều khối có dải lọc Hình thức và kết cấu đập gồm có 3 khối chính và, một số bộ phận chống thấm và tiêu nước. Một khối, bộ phận đều có chức năng nhiệm vụ khác nhau và được đắp bằng những loại vật liệu đất, đá có những đặc tính không giống nhau. Dưới đây là vài thông số trung bình của vật liệu đắp đập vùng duyên hải Miền Trung: TT Khối đập E (KN/m2) m gc (T/m3) K (m/s) 1 Khối A 8.103 0,35 1,80 10-6 2 Khối lõi B 9.103 0,42 1,71 10-7 3 Khối ống khói 4.104 0,3 10-3 4 Khối C 8.103 0,35 1,8 5.10-5 5 Thảm đá tiêu nước 1,2.105 0,3 10-1 6 Đống đá tiêu nước 1,2.105 0,3 10-1 Hình 1.1 Mặt cắt điển hình của loại đập nhiều khối có dải lọc đứng Để kết quả tính toán được khách quan và mang tính thực tế, trong quá trình tính toán người nghiên cứu sử dụng mặt cắt và số liệu của đập đất Núi Ngang tỉnh Quảng Ngãi với trường hợp tính toán như sau: + Thượng lưu : MNBT : H1 = 25m + Hạ lưu : Mực nước tương ứng H2 = 5.5m + Vật thoát nước làm việc bình thường. + Nền không thấm nước. Hình 2.1 Mặt cắt thực tế của đập đất Núi Ngang tỉnh Quảng Ngãi. 2.2 Những tồn tại và những vấn đề mà đề tài sẽ giải quyết Như đã trình bày trong phần mở đầu thì những tồn tại hiện nay là việc chọn một phương pháp thích hợp để giải bài toán thấm cho loại đập nói trên còn chưa thống nhất và có những quy định chặt chẽ. Đề tài sẽ đi vào phân tích cụ thể bài toán thấm qua loại đập nói trên trên mô hình đập thực tế bằng hai phương pháp phổ biến hiện nay (phương pháp thủy lực và phương pháp PTHH) để đưa ra những nhận định đúng đắn về hai phương pháp này khi áp dụng tính thấm cho loại đập trên. 3 . NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ LÝ THUYẾT 3.1 Các quan niệm về sơ đồ tính thấm bằng phương pháp thủy lực học - Sơ đồ 1: Ta chỉ tính thấm qua đập gồm có hai khối A,B, không xét phần phía sau (bỏ qua dải lọc và khối C), hạ lưu có nước, vật thoát nước làm việc bình thường. - Sơ đồ 2: Xem đập như đập ba khối A,B,C trong đó khối B là lõi giữa. (Bỏ qua hoàn toàn dải lọc). Mô hình tính toán đập gồm có : Khôí A, B (lõi giữa), khối C, vật thoát nước làm việc bình thường, mực nước hạ lưu là H2, nền không thấm nước. - Sơ đồ 3: Xem dòng thấm sau khi qua hai khối A,B sẽ tập trung hết vào dải lọc thấm về vật thoát nước dưới dạng dòng thấm có áp. Mô hình tính toán đập gồm có : Khối A, B(lõi giữa), khối C, vật thoát nước làm việc bình thường, mực nước hạ lưu là H2, nền không thấm nước. 3.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn vận dụng vào tính thấm 3.2.1 Các loại bài toán biên thường gặp Trong lĩnh vực kỹ thuật thường hay gặp các loại bài toán biên sau: Bài toán Dirichlet, Bài toán Neumann và Bài toán hỗn hợp. 3.2.2 Định luật Darcy Việc tính toán thấm cho đất bảo hòa và đất không bão hòa đều tuân theo định luật thấm của Darcy gọi là định luật Darcy: Q = k.J.w (4-1) Trong đó: Q : lượng nước thấm qua đất trong một đơn vị thời gian hay gọi là lưu lượng thấm, (m3/s, l/s). k : hệ số thấm (m/s, cm/s). : gradient thấm. w : diện tích tiết diện thấm (m2, cm2). 3.2.3 Phương trình dòng chảy ổn định trong môi trường đất bão hòa nước Phương trình của dòng nước ngầm chảy ổn định trong môi trường thấm bão hòa trong mặt phẳng hai chiều được viết như sau: (2-3) Trong đó Kx, Ky là hệ số thấm của tầng thấm theo các hướng của trục toạ độ x, y. h : cột áp thủy lực. q : lưu lượng tại điểm nguồn hoặc điểm rò, q có giá trị (-) nếu lưu lượng lấy ra khỏi miền, q có giá trị (+) khi có lưu lượng bổ sung vào miền. 3.2.4 Phương trình dòng chảy không ổn định trong môi trường đất bão hòa nước Phương trình của dòng nước ngầm thấm không ổn định trong môi trường bão hòa nước trong mặt phẳng được viết như sau: (2-4) Trong đó : t : thời gian. S0 : độ trử nước riêng của tầng thấm nước với S0 = mw. . : trọng lượng riêng của nước. mw : độ dốc của đường cong trử nước; mw = . uw : áp lực nước lỗ rỗng. ; Vw : thể tích nước trong lổ rỗng của đất; V: tổng thể tích. Như vậy để tính thấm qua đập đất, SEEP/W giải hai phương trình : Thấm ổn định (2-3) và thấm không ổn định (2-4). 4. QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 4.1 Quá trình nghiên cứu - Quá trình thứ nhất: Tiến hành tính toán với phương pháp Thủy Lực bằng những quan niệm về sơ đồ tính khác nhau như đã trình bày tại (III.1). - Quá trình thứ hai:Tiến hành tính toán bằng phương pháp PTHH với phần mềm Seep/w 4.2 Kết quả nghiên cứu Các kết quả nghiên cứu được thể hiện trong các bảng và các hình vẽ dưới đây: Bảng 4-1 Kết quả tính toán lưu lượng thấm qua đập của hai phương pháp Sơ đồ qtlực (10-6m3/s) qseep (10-6m3/s) Dq(10-6m3/s) I 1.24129 1.29740 0.05611 II 1.23794 1.29740 0.05946 III 1.24116 1.29740 0.05624 Bảng 4-2 Kết quả tính toán Gradien trong các khối đập của hai phương pháp Sơ đồ Đoạn trước lõi Đoạn lõi Đoạn sau lõi JK(TL) JK(S) DJK JK(TL) JK(S) DJK JK(TL) JK(S) DJK I 0.0606 0.2 0.1394 0.830 1.0 0.17 0.000000 0.7 0.7 II 0.0605 0.2 0.1395 0.824 1.0 0.176 0.004400 0.7 0.6956 III 0.0606 0.2 0.1394 0.830 1.0 0.17 0.000225 0.7 0.69977 Hình 4.1 Sơ đồ mô tả Gradien & đường bão hòa trong thân đập khi tính bằng Seep/w. Hình 4.2 Đường bão hòa trong thân đập tính bằng phương pháp Thủy Lực (a) và tính bằng Seep/W (a’) của sơ đồ tính thứ I Hình 4.3 Đường bão hòa trong thân đập tính bằng phương pháp Thủy Lực và tính bằng Seep/W của sơ đồ tính thứ II. Hình 4.4 Đường bão hòa trong thân đập tính bằng phương pháp Thủy Lực và tính bằng Seep/W của sơ đồ tính thứ III. 4.3 Bàn luận kết quả nghiên cứu - Lưu lượng thấm qua thân đập nhận được qua hai phương pháp chênh lệch rõ rệt . - Lưu lượng thấm nhận được của phương pháp thủy lực nhỏ hơn khi tính bằng phần mềm Seep/W, điều này là rất nguy hiểm khi đưa vào thiết kế công trình. - Gradien nhận được của phương pháp thủy lực là Gradient trung bình cho các khối đập đã được biến đổi . - Gradien nhận được từ kết quả tính toán bằng phần mềm Seep/W là Gradien Max tại các điểm khác nhau trên các khối đập của mô hình thực. - Gradien nhận được từ phương pháp Thủy Lực nhỏ hơn khi tính bằng phần mềm Seep/W khá nhiều, điều này là rất nguy hiểm trong thiết kế. - Đường bão hòa tính bằng phương pháp thủy lực thấp hơn khi tính bằng phần mềm Seep/W. Nếu như vẫn sử dụng đường bão hòa của phương pháp Thủy lực để đi tính ổn định sẽ dẫn đến không an toàn. 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Những kết quả đạt được - Trên cơ sở những kết quả tính toán được thực hiện trên mô hình thực tế và tuân theo những nguyên tắc rất chặt chẽ của các phương pháp tính toán. Báo cáo đã đưa ra được những con số chênh lệch giữa các kết quả tính toán của hai phương pháp Thủy Lực học và sử dụng phần mềm SEEP/W. - Báo cáo cũng đã đưa ra được những mặt tích cực và mặt tồn tại của cả hai phương pháp tính toán khi áp dụng đối với loại đập nhiều khối có dải lọc. - Báo cáo đề xuất được phương pháp tính thấm thích hợp, an toàn và cho kết quả sát thực đối với loại đập nhiều khối có dải lọc đứng, đó là phương pháp PTHH mà cụ thể là sử dụng phần mềm SEEP/W. 5.2 Khả năng áp dụng của đề tài vào thực tiễn - Có nhiều phương pháp để tính toán cho loại đập nhiều khối có dải lọc, song sử dụng phương pháp PTHH với phần mềm SEEP/W để tính toán cho loại đập nhiều khối có dải lọc đứng mang tính khả thi và thực tiễn cao hơn nhiều so với các phương pháp khác.Thực tế việc sử dụng phần mềm SEEP/W là xu thế lựa chọn hiện nay của các nhà thiết kế. - Kết quả đạt được của báo cáo làm cho chúng ta có một cách nhìn nhận đúng đắn hơn về phương pháp Thủy Lực học khi áp dụng vào tính thấm cho loại đập nhiều khối có dải lọc đứng, loại đập rất phổ biến hiện nay ở khu vực Miền Trung và Tây Nguyên. Đồng thời người thiết kế sẽ nhận thấy tin cậy khi sử dụng phần mềm SEEP/W . 5.3 Kiến nghị - Báo cáo xin đề xuất phương pháp tính thấm an toàn cho loại đập nhiều khối có dải lọc, nên dùng phương pháp PTHH. - Báo cáo cũng khuyến cáo các nhà thiết kế nhìn nhận lại phương pháp Thủy Lực học và các phương pháp trong các Quy Phạm hiện nay khi tính thấm cho loại đập này. - Báo cáo xin đề nghị nên có sự nghiên cứu tiếp tục trên các sơ đồ khác nhau để sớm có những quy định rõ ràng về việc tính toán và kiểm tra an toàn cho loại đập nói trên, đặc biệt là vấn đề tính thấm phục vụ cho thiết kế được an toàn và tiết kiệm. DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Quy phạm thiết kế đập đất đầm nén QPVN 11:1977 [2]. GS.TSKHKT Nguyễn Tài. Thủy Lực tập I. [3]. PGS.TS Nguyễn Thế Hùng. Thủy Lực Tập I. [4]. Nguyễn Cảnh Cầm và các tác giả. Thủy Lực tập III. [5]. Trịnh Bốn. Tính Toán Các Công Trình Thủy Lợi Tập I. [6]. D.G.FREDLUN. H.RAHARDJO. Cơ học đất cho đất không bảo hòa tập I. [7]. PGS.TS Nguyễn Thế Hùng.Phương pháp phần tử hữu hạn trong chất lỏng. [8]. Hoàng Minh Dũng. Nghiên cứu cơ sở khoa học thiết kế mặt cắt hợp lý đập nhiều khối có sử dụng đất trương nở -Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật.