Ứng dụng phần mềm geo - Slope nghiên cứu vùng tâm trượt nguy hiểm của mái dốc đập đất

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM GEO-SLOPE NGHIÊN CỨU VÙNG TÂM TRƯỢT NGUY HIỂM CỦA MÁI DỐC ĐẬP ĐẤT APPLICATION GEO-SLOPE SOFTWARE STUDY THE AREA DANGER SLIP CENTRE OF THE SLOPE OF EARTH DAMS SVTH: Đinh Anh Nam Lớp: 01X2A - Khoa XDTL - TĐ CBHD: GVC.ThS. Lê Văn Hợi TÓM TẮT Đề tài này ứng dụng phần mềm GEO-SLOPE để xác định tâm trượt nguy hiểm xảy ra đối với mái dốc đập đất, đánh giá lại tính phù hợp với vùng kinh nghiệm của V.VFandeep và W.Fellenius trong tính toán ổn định. Từ đó đưa ra những kết luận, giúp cho người thiết kế tránh được sai sót và tiết kiệm thời gian khi sử dụng phương pháp thông thường trong tính toán. ABSTRCT Based on the Method experimental of V.V.Fandeep and W.Fellenius and the finite element technique with modul Slope/W, this paper studied the problem stable of slop of earth dams. 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. I. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Thực tế hiện nay, đánh giá ổn định mái đập đất được tính toán theo phương pháp thông thường, mặt trượt được giả thiết là mặt trụ tròn tâm O bán kính R bất kỳ thuộc vùng kinh nghiệm V.V.Fanđêep, W.Fellenius và được giải theo bài toán phẳng, điều kiện ổn định được đảm bảo khi hệ số ổn định nhỏ nhất thỏa mãn bất đẳng thức sau: Kmin = ³ [K] Trong đó: åMc - Tổng các mô men chống trượt đối với tâm O. åMt - Tổng các mô men gây trượt đối với tâm O. [K] - Hệ số an toàn chống trượt cho phép, phụ thuộc cấp công trình và tổ hợp tải trọng. Theo các phương pháp này, để xác định hệ số an toàn nhỏ nhất cần phải tính toán cho nhiều mặt trượt giả thiết, nên khối lượng tính toán lớn làm cho người tính toán thiết kế mất nhiều thời gian. Mặt khác vùng tâm trượt kinh nghiệm chỉ được nghiên cứu trên một số sơ đồ phổ biến. Khi kết cấu, vật liệu đắp đập, địa hình địa chất nền thay đổi thì vùng tâm trượt nguy hiểm có thay đổi khác biệt, do đó vùng tâm trượt kinh nghiệm có thể không chứa tâm trượt nguy hiểm xảy ra trong thực tế.Việc nghiên cứu đánh giá lại vùng tâm trượt, nhằm tránh việc áp dụng máy móc và tiết kiệm thời gian cho người thiết kế là điều cần thiết. II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Vùng tâm trượt nguy hiểm theo kinh nghiệm: 1.1.1. Phương pháp W.Fellenius: Tâm trượt nguy hiểm nằm ở lân cận trên đường MM1 (hình vẽ 1), trong đó: - Điểm M1 là giao điểm của hai đường thẳng Aa và Bb, góc a1, a2 phụ thuộc hệ số mái đập được xác định ở (bảng 1). Bảng:1 Hệ số mái đập m 1 2 3 4 5 6 a10 28 25 25 25 25 25 a20 34 35 35 36 37 37 1.1.2. Phương pháp V.V.Fanđêep: Theo V.V.Fanđêep, khu vực chứa tâm trượt nguy hiểm của mái dốc nằm trong giới hạn hình quạt 1234, xác định như hình vẽ 1 - Qua điểm F giữa mái đập kẻ một đường thẳng đứng và một đường hợp với mái dốc một góc 850. Hình quạt tạo bởi các cung tròn tâm F bán kính R1 và R2 và hai đường thẳng trên chứa tâm trượt nguy hiểm. Bán kính R1, R2 phụ thuộc vào chiều cao đập và hệ số mái dốc đập được xác định ở (bảng 2). Bảng: 2 Hệ số mái dốc m 1 2 3 4 5 6 R1/H 0,75 0,75 1,00 1,50 2,20 3,00 R2/H 1,50 1,75 2,30 3,75 4,80 5,50 * Kết hợp cả hai phương pháp V.V.Fanđêep và W.Fellenius, ta có tâm trượt nguy hiểm nhất ở lân cận đoạn CD (hình 1). Hình: 1 1.2. Ứng dụng phần mềm GEO-SLOPE trong tính toán ổn định: Phần mềm GEO-SLOPE tính toán ổn định bằng modul SLOPE/W, theo phương pháp cân bằng giới hạn cho khối đất bảo hòa và không bảo hòa. Modul SLOPE/W có khả năng tích hợp với các modul SEEP/W, SIGMA/W, QUAKE/W để tính toán ổn định Trong đề tài chỉ xét trường hợp liên kết với modul SEEP/W để xét áp lực nước lỗ rỗng trong thân đập. 1.2.1. Tính thấm theo modul SEEP/W: Modul SEEP/W giải bài toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn, không chỉ xét phần đất bảo hòa ở dưới đường bảo hòa mà còn xét đến phần đất không bảo hòa trên đường bảo hòa. a, Phương trình vi phân chủ đạo: Đối với dòng thấm không ổn định trong đất có thể mô tả bằng phương trình vi phân sau: Trong đó: Kx,Ky - hệ số thấm theo các phương x, y. H - tổng cột nước tác dụng. Q - áp dụng cho biên lưu lượng mw - độ dốc của đường cong dung lượng thể tích gw - dung trọng của nước t - thời gian.. b, Các bước giải bài toán phần tử hữu hạn: - Bước 1: Rời rạc hóa miền tính toán, chia miền V thành miền con V(e). - Bước 2: Giá trị gần đúng hàm cột nước: Trong đó: : giá trị giá trị gần đúng của cột nước áp lực trong phần tử (e) = (): véc tơ hàm nội suy nút i trong phần tử e n: số nút của phần tử e Hi = {H}: véc tơ cột nước các điểm nút, giá trị chưa biết của cột nước áp lực tại nút thứ i của phần tử (e). - Bước3: Xây dựng phương trình phần tử theo phương pháp phần tử hữu hạn nguyên lý số dư có trọng lượng của Garerkin, giả sử các trị số của hệ số thấm theo phương x, y là không đổi ta có phương trình chủ đạo viết cho các phần tử e : - Bước 4: Ghép nối các phần tử, ta có phương trình cho bài toán thấm ổn định: [K] {H} = {Q}.   Trong đó: ; - Bước 5: Áp đặt các điều kiện biên. Để tìm các giá trị cột nước {H} tại các điểm nút với các điều kiện biên của miền tính toán. Các diều kiện biên được áp dụng cho các biên cột nước ở thượng lưu, hạ lưu và biên lưu lượng tại nền, giới hạn trên và giới hạn dưới của nền. 1.2.2. Tính ổn định theo modul SLOPE/W: a, Các giả thiết tính toán: + Phương trình cân bằng giới hạn được xác định dựa trên các giả thiết: Đất được xem như vật liệu tuân theo định luật Mohr - Coulomb. Hệ số ổn định là như nhau cho tất cả các điểm trên mặt trượt. Trạng thái giới hạn chỉ xảy ra trên mặt trượt + Ứng suất cắt theo định luật Mohr - Coulomb: t = c + (sn - uw) tgj (đất bảo hòa) t = c + (sn - ua) tgj + (ua - uw) tgjb (đất bảo không hòa) + Các hình dạng mặt trượt giả định: Hình 2: Lực tác dụng lên phân tố đất mặt trượt dạng trụ tròn. Hình 3: Lực tác dụng lên phân tố đất mặt trượt dạng tổ hợp và mặt trượt dạng gảy khúc. b, Phương trình cân bằng mômen: + Phương trình cân bằng: ( Các đại lượng xem hình 2; 3). åW.x - åSm.R - åN.f + åkW.e D.d A.a = 0 + Hệ số an toàn ổn định theo phương pháp cân bằng mômen: - Đất bảo hòa: - Đất không bào hòa: Trong đó: Km - Hệ số ổn định xác định theo điều kiện cân bằng về mômen. t - Ứng suất cắt giới hạn của đất được xác định theo các công thức trên Với: - là ứng suất pháp trung bình tại đáy mặt trượt. c, Phương trình cân bằng lực: + Phương trình cân bằng: ( Các đại lượng xem hình 2; 3). å(EL-ER) - å(N.sina) + å(Sm.cosa) - åkW + D.cosw ± A = 0 + Hệ số an toàn ổn định theo phương pháp cân bằng lực: - Đất bảo hòa: - Đất không bảo hòa: d, Phương trình cân bằng giới hạn tổng quát (GLE): Trong thực tế tình hình phân bố địa chất thuỷ văn rất phức tạp, nên mặt trượt thường có hình dạng rất phức tạp, tồn tại mặt trượt ảo, số lượng ẩn số lớn hơn số các các phương trình độc lập, bài toán trở nên vô định. Do vậy, một số tác giả kết hợp các điều kiện cân bằng trên để giải quyết bài toán - Được gọi là phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (General Limit Equilibrium - GLE). Phương pháp cân bằng giới hạn tổng quát (GLE ), sử dụng các phương trình cân bằng tỉnh để tìm hệ số an toàn. Tuy nhiên lời giải vẫn bất định và cần giả thiết thêm về phương và lực của hợp lực tiếp giáp giữa các cột đất. Kết quả là hệ số ổn định chung K được tính trên các hệ số ổn định Km và Kf, tức là thoả mãn cả điều kiện cân bằng lực và cân bằng mômen. e. Phương pháp phân tích xác suất ổn định mái dốc (Monte Carlo): Phân tích tất định chịu một số hạn chế, chẳng hạn sự thay đổi các thông số nhập không được xem xét và không thể trả lời câu hỏi: “Mái dốc ổn định như thế nào?”. Phân tích xác suất ổn định mái dốc cho phép tính đến sự biến đổi của các thông số nhập vào và nó định lượng xác suất phá hoại mái dốc. Phương pháp Monte Carlo, được chọn ở đây là một trình tự tính toán đa năng nhưng đơn giản, ta chỉ cần nhập độ lệch tiêu chuẩn vào tính chất cơ lý của đất. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thay đổi một số tính chất cơ lý của đất, như thay đổi kết cấu vật liệu đắp đập, địa hình địa chất nền và cấu tạo mặt cắt đập. Sử dụng phần mềm GEO-SLOPE xác định tâm trượt nguy hiểm, từ đó đối chiếu với vùng tâm trượt kinh nghiệm để rút ra nhận xét và kiến nghị. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Kết quả nghiên cứu được tính toán cho công trình thực tế đập Rào Đá, tỉnh Quảng Bình, có thay đổi một số tính chất cơ lý của nền đập, nền có nhiều lớp đất nghiêng, thay đổi cấu tạo mặt cắt thân đập như thay đổi vật thoát nước, hệ số mái dốc và chiều cao đập. Chỉ tiêu cơ lý đất nền và đất đắp đập dùng trong tính toán: Bảng: 3 TT Vật liệu gw (kN/m3) j0 C (kN/m2) k (m/s) Thân đập Đất sét (5-aQ) 19,5 10 25 2,7.10-7 Á set (deQ) 19,7 18 15 1,08.10-7 Cát lọc 15,9 30 2 1.10-4 Đá tiêu nước 27 60 0 5.10-3 Nền đập Lớp 1: deQ 19,7 22 10 5.10-5 Lớp 2: 5-2aQ 18,8 12 15 5,5.10-7 Lớp 3: 5-aQ 20 13 10,7 1,72.10-7 3.1. Sơ đồ 1 - Mặt cắt lòng sông đập Rào Đá: +323.2. Sơ đồ - Mặt cắt sườn đồi: III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận: Kết quả cho thấy đại đa số tâm trượt nguy hiểm xảy ra nằm ngoài vùng tâm trượt kinh nghiệm của V.V.Fanđêep và W.Fellenius. Do phương pháp thông thường khi tính toán đã bỏ qua các lực giữa các phân tố đất (bỏ qua lực E và X). Mặt khác vùng kinh nghiệm đưa ra chỉ được nghiên cứu trên các sơ đồ phổ biến, chưa xét đến thay đổi của kết cấu, vật liệu, địa hình địa chất . Căn cứ kết quả tính toán có thể đưa ra các nhận xét sau : - Đối với mái thượng lưu khi mực nước thượng lưu lớn thì vùng kinh nghiệm khá phù hợp, khi mực nước thượng lưu nhỏ thì vùng kinh nghiệm không còn phù hợp nữa. - Khi nền đá, đập có vật thoát nước kiểu lăng trụ được liên kết tốt với nền, mặt trượt chỉ xảy ra ở phần đất phía trên đỉnh lăng trụ. Do đó khi xác định vùng kinh nghiệm lấy mốc từ đỉnh đập đến đỉnh lăng trụ thì phù hợp, khi lấy mốc từ đỉnh đập tới chân vật thoát nước thì vùng kinh nghiệm không phù hợp. - Khi tính toán ổn định với tổ hợp tải trọng đặc biệt thì vùng kinh nghiệm hoàn toàn không phù hợp (tức khi đường bão hoà dâng cao). - Với đập cao (H > 30m) và đập có mặt nền nghiêng thì vùng kinh nghiệm không phù hợp. - Với đập thấp (H ≤ 30m), nền đá khi đập có vật thoát nước kiểu gối phẳng thì vùng kinh nghiệm phù hợp, khi đập có vật thoát nước kiểu áp mái và đập có mái dốc lớn thì vùng kinh nghiệm không phù hợp. - Với đập thấp ( H ≤ 30m), nền đất, xảy ra trượt sâu, khi lớp đất nền có chiều dày nhỏ ( d ≤ 5m) thì vùng kinh nghiệm không phù hợp, khi đất nền dày ( d > 5m) thì vùng kinh nghiệm phù hợp. 2. Kiến nghị: - Cần đưa thông tin này khuyến cáo đối với người thiết kế, để tránh áp dụng máy móc và tốn thời gian trong việc tính toán ổn định theo phương pháp thông thường mà giáo trình và quy phạm vẫn còn sử dụng. - Đưa phần mềm này vào chương trình giảng dạy và chỉnh sữa giáo trình hợp lý cho các trường hợp và sơ đồ tính toán khi sử dụng vùng kinh nghiệm trong việc tính ổn định. - Quy phạm nên chính thức sửa đổi phù hợp với thực tế và cho sử dụng phần mềm trong tính toán ổn định, để đảm bảo kỹ thuật, kinh tế và tiết kiệm thời gian cho người thiết kế. Tài liệu tham khảo [1] Cơ học đất, Gs.Ts.Vũ Công Ngữ, Ts.Nguyễn Văn Dũng. [2] Cơ học đất không bảo hòa (Tập 1), D.G. Fredlund, H. Rahardjo. [3] Thủy công (Tập 1), Trường đại học thủy lợi. [4] Thiết kế đập đất, Nguyễn Xuân Trường. [5] Quy phạm thiết kế đập đất đầm nén, QP - TL - 6 - 70. [6] Phương pháp phần tử hữu hạn nâng cao trong cơ học chất lỏng, PGS.TS.Nguyễn Thế Hùng. [7] Hướng dẫn sử dụng phần mềm GEO-SLOPE, Gs.Nguyễn Công Mẫn. [8] Hồ sơ thiết kế hồ chứa nước Rào Đá, Công ty tư vấn xây dựng T.Lợi Q. Bình.