LỜI CẢM ƠN Luận văn “NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TRƯỜNG HỢP MỰC NƯỚC RÚT NHANH TỚI ỔN ĐỊNH MÁI NGOÀI ĐÊ SÔNG” được hoàn thành ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân, tác giả còn được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy, cô, cơ quan, bạn bè và gia đình. Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo: PGS.TS. Mai Văn Công đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cần thiết để tác giả hoàn thiện luận văn. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo Phòng đào tạo đại học và Sau đại học, khoa Công trình - Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện luận văn này. Để hoàn thành luận văn, tác giả còn được sự cổ vũ, động viên khích lệ thường xuyên và giúp đỡ về nhiều mặt của gia đình và bạn bè. Tuy đã có những cố gắng nhất định, nhưng do thời gian có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế, vì vậy cuốn luận văn này chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Tác giả kính mong Thầy giáo, Cô giáo, Bạn bè và đồng nghiệp góp ý để tác giả có thể tiếp tục học tập và nghiên cứu hoàn thiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 20 tháng 02 năm 2014 Tác giả luận văn Lê Duy Hùng LỜI CAM KẾT Tên tôi là: LÊ DUY HÙNG Học viên lớp: 19C11 + Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. + Những nội dung và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào. Tác giả LÊ DUY HÙNG MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục đích của đề tài 1 3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 2 4. Kết quả dự kiến đạt được 2 5. Bố cục của luận văn 2 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐÊ SÔNG VÀ ỔN ĐỊNH ĐÊ SÔNG 3 1.1. Tình hình đê sông trên thế giới và ở Việt Nam 3 1.1.1. Tình hình đê sông trên thế giới 3 1.1.2. Tình hình đê sông ở Việt Nam 3 1.2. Vấn đề ổn định đê khi mực nước rút 6 1.2.1. Một số sự cố sạt lở bờ sông trong thời gian gần đây 6 1.2.2. Các nghiên cứu về ổn định của đê sông trên thế giới 9 1.2.3. Các nghiên cứu về ổn định của đê sông ở Việt Nam hiện nay 10 1.3. Kết luận chương 1 12 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH THẤM VÀ ỔN ĐỊNH 13 2.1. Đặt vấn đề 13 2.2. Cơ sở khoa học trong nghiên cứu thấm 13 2.2.1. Định luật Darcy 13 2.2.2. Phương trình dòng chảy ổn định trong môi trường đất bão hòa nước 14 2.2.3. Phương trình dòng chảy không ổn định trong môi trường đất bão hòa nước 14 2.2.4. Cơ sở khoa học trong nghiên cứu thấm trong trường hợp lũ rút [9] 15 2.3. Cơ sở khoa học phân tích ổn định theo phương pháp mặt trượt trụ tròn [9] 16 2.3.1 Sơ đồ tính toán 16 2.3.2. Phương pháp tính toán 16 2.4. Phân tích áp lực kẽ rỗng trong trường hợp mực nước rút nhanh [9] 18 2.4.1. Phân bố áp lực nước kẽ rỗng 18 2.4.2. Đặc điểm làm việc mái thượng lưu khi mực nước thượng lưu rút nhanh 19 2.4.3. Ảnh hưởng của tốc độ rút nước 20 2.4.4. Giải bài toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn 21 2.4.5. Tính toán áp lực kẽ rỗng theo phương pháp Bishop 22 2.5. Các trường hợp tính ổn định mái dốc khi mực nước trên mái rút nhanh[9] 24 2.5.1. Rút nước trong và cuối giai đoạn thi công 24 2.5.2. Rút nước trong quá trình vận hành 24 2.6. Các phương pháp tính toán ổn định mái dốc khi mực nước rút nhanh[9] 25 2.6.1. Tính toán theo phương pháp ứng suất hiệu quả 25 2.6.2. Tính toán theo phương pháp tổng ứng suất 26 2.6.3. Tính toán cố kết 35 2.7. Kết luận chương 2 37 CHƯƠNG 3 : ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH MÁI PHÍA SÔNG ĐÊ BỜ HỮU SÔNG CẦU TRONG TRƯỜNG HỢP MỰC NƯỚC RÚT NHANH 38 3.1. Giới thiệu về đê bờ hữu Sông Cầu 38 3.1.1. Thông số thiết kế đê bờ hữu Sông Cầu 38 3.1.2. Điều kiện địa chất xung quanh tuyến đê Sông Cầu 39 3.1.3. Đặc điểm lũ Sông Cầu 40 3.2. Tính toán thấm, ổn định, ứng suất đê Sông Cầu 40 3.2.1. Mặt cắt tính toán 40 3.2.2. Phần mềm tính toán 40 3.2.3. Mô hình tính toán 41 3.2.4. Thông số mặt cắt, địa chất, vật liệu tính toán 41 3.2.5. Các trường hợp tính toán 43 3.2.6. Điều kiện biên trong bài toán 43 3.2.7. Các mô hình đê mô phỏng trong Geostudio 2004 44 3.2.8. Tổng hợp kết quả 5 bước rút 45 3.2.9. Một số kết quả 5 bước rút đại diện 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58 Kết luận 58 Kiến nghị 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 63 PHỤ LỤC 1 64 PHỤ LỤC 2 70 PHỤ LỤC 3 75 PHỤ LỤC 4 80 PHỤ LỤC 5 85 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Đê Edogawa, Nhật Bản Hình 1.2: Đê Sông Cầu, Thái Nguyên 5 Hình 1.3: Sạt lở bờ sông Hồng Hình 1.4: Sạt lở bờ sông Đà 8 Hình 2.1 : Các phương pháp tính toán ổn định mái dốc khi mực nước rút nhanh 13 Hình 2.2 : Sơ đồ tính toán ổn định chống trượt theo phương pháp mặt trượt trụ tròn 16 Hình 2.3 : Phân bố áp lực kẽ rỗng khi dòng thấm ổn định 18 Hình 2.4 : Áp lực kẽ rỗng trong thân đập khi mực nước thượng lưu rút nhanh 19 Hình 2.5 : Thoát nước trong thân đập khi nước rút đột ngột (Reinus, năm 1983) 21 Hình 2.6: Áp lực kẽ rỗng khi mực nước rút đột ngột, đất nén được (Theo Bishop) 22 Hình 2.7 : So sánh áp lực nước kẽ rỗng khi nước rút nhanh giữa phương pháp Bishop và phương pháp vẽ lưới 24 Hình 2.8 : Đường bao cường độ chống cắt sử dụng cho USACE 1970 29 Hình 2.9: Đường bao cường độ chống cắt tổng hợp sử dụng cho USACE 1970 30 Hình 2.10 : Mái và tính chất đất trong một ví dụ 31 Hình 2.11 : Bề mặt cung trượt và các dải dùng để tính toán 31 Hình 2.12 : Quan hệ τ ff - σ΄ fc của đường bao cường độ chống cắt 34 Hình 3.1: Toàn cảnh đê hữu sông Cầu hoàn thiện 38 Hình 3.2: Mặt bằng và cắt ngang đại diện đê Sông Cầu (đê đất) 39 Hình 3.3: Sơ đồ hóa mặt cắt đê Sông Cầu mô phỏng trong Geostudio 41 Hình 3.4: Mô hình trong Geostudio 2004 44 Hình 3.5: Mô hình phần tử hữu hạn trong Modul Seep 44 Hình 3.6: Mô hình phần tử hữu hạn trong Modul Sigma 44 Hình 3.7: Mô hình mực nước rút 45 Hình 3.8: Đường bão hòa ứng với 5 bước rút (TH1) 45 Hình 3.9: Đường bão hòa ứng với 5 bước rút (TH4) 46 Hình 3.10: Kết quả tính toán ổn định khi MNLTK : 27,50 m (TH1) 46 Hình 3.11: Kết quả tính toán ổn định bước rút 1(TH1) 46 Hình 3.12: Kết quả tính toán ổn định bước rút 1(TH4) 47 Hình 3.13: Kết quả tính áp lực kẽ rỗng khi MNLTK : 27,50 m (TH1) 47 Hình 3.14: Kết quả tính áp lực kẽ rỗng bước rút 1 (TH1) 47 Hình 3.15: Kết quả tính áp lực kẽ rỗng bước rút 1 (TH4) 48 Hình 3.16: Kết quả tính ứng suất hiệu quả khi MNLTK : 27,50 m (TH1) 48 Hình 3.17: Kết quả tính ứng suất hiệu quả bước rút 1 (TH1) 48 Hình 3.18: Kết quả tính ứng suất hiệu quả bước rút 1 (TH4) 49 Hình 3.19: Biểu đồ quan hệ K ~ L/H (5 TH) 52 Hình 3.20: Biểu đồ quan hệ U ~ L/H (5 TH) 53 Hình 3.21: Biểu đồ quan hệ σ’ ~ L/H (5 TH) 54 Hình 3.22: Biểu đồ quan hệ K ~ t (5 TH) 55 Hình 3.23: Biểu đồ quan hệ U ~ t tại điểm A (25;,25,50) (5 TH) 56 Hình 3.24: Biểu đồ quan hệ σ’ ~ t tại điểm A (25;25,50) (5 TH) 57 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 : Hình học mặt cắt đê 41 Bảng 3.2 : Chỉ tiêu cơ lý của đất đắp 42 Bảng 3.3 : Chỉ tiêu vật liệu của đất nền 42 Bảng 3.4 : Mực nước tính toán 42 Bảng 3.5 : Bảng tổng hợp hệ số ổn định K (TH1) 49 Bảng 3.6 : Bảng tổng hợp áp lực kẽ rỗng U và ứng suất hiệu quả σ’(TH1) 49 Bảng 3.7 : Bảng tổng hợp hệ số ổn định K (TH2) 49 Bảng 3.8 : Bảng tổng hợp áp lực kẽ rỗng U và ứng suất hiệu quả σ’ (TH2) 50 Bảng 3.9 : Bảng tổng hợp hệ số ổn định K (TH3) 50 Bảng 3.10 : Bảng tổng hợp áp lực kẽ rỗng U và ứng suất hiệu quả σ’ (TH3) 50 Bảng 3.11 : Bảng tổng hợp hệ số ổn định K (TH4) 50 Bảng 3.12 : Bảng tổng hợp áp lực kẽ rỗng U và ứng suất hiệu quả σ’(TH4) 51 Bảng 3.13 : Bảng tổng hợp hệ số ổn định K (TH5) 51 Bảng 3.14 : Bảng tổng hợp áp lực kẽ rỗng U và ứng suất hiệu quả σ’(TH5) 51 Bảng 3.15 : Bảng tổng hợp hệ số ổn định K (5 TH) 51 Bảng 3.16 : Bảng tổng hợp áp lực kẽ rỗng U (5 TH) 52 Bảng 3.17 : Bảng tổng hợp ứng suất hiệu quả σ’ (5 TH) 53 Bảng 3.18 : Bảng so sánh hệ số ổn định K (5 TH) 54 Bảng 3.19 : Bảng so sánh áp lực kẽ rỗng U tại điểm A(25;25,50) (5 TH) 55 Bảng 3.20 : Bảng so sánh áp lực kẽ rỗng σ’ tại điểm A(25;25,50) (5 TH) 56 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Vào mùa mưu lũ có rất nhiều đê, kè thủy lợi bảo vệ khi mực nước sông dâng cao và vận tốc dòng chảy tăng nhanh đã xảy ra hiện tượng sạt lở mái thượng lưu nghiêm trọng, nhất là trong trường hợp mực nước rút sau lũ. Hiện tượng này là sự cố xuất hiện thường xuyên trong hệ thống đê điều của Việt Nam. Đặc điểm về điều kiện tự nhiên ở Việt Nam với lượng mưa trung bình năm tương đối lớn. Trong mùa khô hầu như không có mưa, độ ẩm không khí tương đối thấp, kết hợp đặc trưng vật liệu dùng để xây dựng đập thông thường có tính co ngót trương nở cao nên trong mùa khô này rất dễ gây nứt nẻ tạo điều kiện cho dòng thấm phát triển. Trái ngược với mùa khô, mùa mưa kéo dài và liên tục trong một thời gian dài với cường độ lớn. Hơn nữa, đây là nơi hứng chịu nhiều cơn bão với cường độ mưa sau bão rất lớn, gây ra những thiệt hại to lớn về kinh tế và xã hội, đặc biệt là các hư hỏng về công trình nói chung cũng như công trình thủy lợi nói riêng. Trong những năm gần đây đã cho thấy rõ tình hình biến đổi khí hậu diễn ra hết sức phức tạp đã dẫn đến hiện tượng mưa kéo dài trong thời gian ngắn đã có ảnh hưởng đến an toàn ổn định của hệ thống đập, đê, kè. Chính vì vậy, vấn đề nghiên cứu về an toàn ổn định cục bộ của đập, đê, kè cũng như ảnh hưởng của nó tới ổn định tổng thể và đặc trưng ở đây là ổn định mái thượng lưu sau khi lũ rút dưới tác dụng của mưa lớn là một vấn đề mang tính thời sự, nhất là trong điều kiện biến đổi khí hậu toàn cầu. 2. Mục đích của đề tài Đề tài thực hiện với mục tiêu tổng quát là phân tích ổn định mái đê phía sông trong trường hợp mực nước rút nhanh. Nội dung chính gồm: Nghiên cứu dòng thấm không ổn định trong thân đê vật liệu địa phương khi mực nước lũ rút nhanh. Sự thay đổi đường bão hòa trong thân đê với các trường hợp rút khác nhau. Nghiên cứu sự thay đổi của hệ số ổn định mái thượng lưu khi mực nước lũ rút nhanh. 2 Nghiên cứu sự thay đổi của áp lực nước kẽ rỗng và ứng suất hiệu quả trong thân đê khi mực nước lũ rút nhanh. 3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: đê, kè thủy lợi. Phạm vi nghiên cứu: Phân tích ảnh hưởng của mực nước rút nhanh đến sự thay đổi áp lực nước kẽ rỗng và ổn định mái đê thượng lưu trong một số sơ đồ tính, trong đó có xét đến sự thay đổi thời gian rút nước trên mái thượng lưu. Phương pháp nghiên cứu: - Thu thập, nghiên cứu tài liệu của các công trình thực tế. - Tiếp cận lý thuyết về áp lực kẽ rỗng, ổn định mái dốc, phân tích sự thay đổi các yếu tố trên khi mực nước rút. - Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn và mô hình hóa có sẵn để phân tích các vấn đề đặt ra. 4. Kết quả dự kiến đạt được - Làm rõ được sự thay đổi áp lực nước kẽ rỗng trong thân đê và ảnh hưởng của nó tới ổn định mái thượng lưu khi mực nước rút nhanh. - Phân tích và thể hiện các kết quả dạng số của áp lực kẽ rỗng và hệ số ổn định mái khi thay đổi tốc độ rút nước. - Ứng dụng tính toán, phân tích cho trường hợp đê bờ hữu sông Cầu, đoạn qua thành phố Thái Nguyên. 5. Bố cục của luận văn Luận văn bao gồm 3 chương và 5 phụ lục. Trong đó: Chương 1: Tổng quan về đê sông và ổn định đê sông. Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích thấm và ổn định. Chương 3: Ứng dụng phân tích ổn định mái phía sông đê bờ hữu sông Cầu trong trường hợp mực nước rút nhanh. [...]... nào xét đến ổn định của mái dốc khi mực nước trên mái rút nhanh, các tiêu chuẩn kỹ thuật chưa đề cập và đưa ra các chỉ dẫn một cách rõ ràng về các trường hợp tính toán như chiều cao rút nước, tốc độ rút nước ảnh hưởng đến ổn định mái đê như thế nào Từ đó tác giả thấy việc nghiên cứu ổn định mái dốc khi mực nước rút nhanh là một vấn đề cấp thiết có tính thực tiễn cao và cần phải nghiên cứu một cách... nhất có thể không phải là trường hợp mực nước hạ hoàn toàn mà có thể là mực nước hạ đến một giá trị trung gian nào đó Dựa vào tốc độ hạ thấp của mực nước sông, hồ, 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 đê, đập Nếu mực nước sông, hồ hạ thấp từ từ, đường bão hoà cũng xuống theo Khi đất mà nước vừa thoát còn ở trạng... khi mực nước thượng lưu rút nhanh 2.4.2 Đặc điểm làm việc mái thượng lưu khi mực nước thượng lưu rút nhanh Đối với mái thượng lưu, khi mực nước dâng cao, áp lực gia tăng do mực nước tăng thêm ổn định Sau khi đạt trạng thái thấm ổn định, nếu mực nước đê, hồ hạ thấp đột ngột hoặc hạ rất nhanh làm cho việc thoát nước từ bộ phận phía trên của mái thượng lưu đê, đập không theo kịp Dựa vào tốc độ hạ thấp của. .. : chiều rộng của dải (m) G : trọng lực của dải (KN) G = G1 + G2 + γn.Z.b G1 : trọng lực của dải ở phần trên mực nước ngoài mái đê (KN) G2 : trọng lực của dải ở phần bên dưới mực nước ngoài mái đê (KN) Z : khoảng cách cao hơn từ mực nước ngoài mái đê đến mặt đáy dải (m) u : áp lực kẽ rỗng trong thân đê và nền đê trong thời kỳ thấm ổn định (KN/m2) u1 : áp lực kẽ rỗng thân đê trước khi mực nước hạ xuống... truợt và vỡ đê Nguyên nhân: Trong suốt mùa lũ, mực nước sông ở mực nước cao, mực nước cao nhất vào mùa lũ năm 2003 ở báo động I (+15m); vào thời điểm bờ bị sạt trượt, mực nước sông khoảng +8,5m Do mực nước sông hạ thấp nhanh; vùng thấm bão hoà được hình thành trong thân đê khi mực nước cao chảy về lòng sông, dưới tác dụng của trọng lực mái, lực thấm, mái đê bị mất ổn định 8 Hình 1.3: Sạt lở bờ sông Hồng... THUYẾT PHÂN TÍCH THẤM VÀ ỔN ĐỊNH 2.1 Đặt vấn đề Mực nước trên mái của các công trình đất (đập vật liệu địa phương, đê, bờ kênh, bờ sông ) rút xuống trong quá trình vận hành là một trong những nguyên nhân chủ yếu làm mất ổn định mái phía ngoài Đã có nhiều trường hợp công trình bị hư hỏng được ghi lại cho thấy việc nghiên cứu ổn định mái dốc công trình đất khi mực nước trên mái rút nhanh là một vấn đề quan... nghiên cứu đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định mái dốc khi mực nước trên mái rút nhanh Việc đánh giá ổn định mái dốc có liên quan đến việc xác định dòng thấm và áp lực kẽ rỗng trong thân đê, đập cũng như xác định các chỉ tiêu chống cắt của đất tương ứng Morgentern đã sử dụng phương pháp xác định áp lực kẽ rỗng do Bishop đề ra để xác định áp lực kẽ rỗng của đất nén được trong quá trình mực nước. .. lưu đê, đập không theo kịp Dựa vào tốc độ hạ thấp của mực nước hồ, 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 Cơ sở để xác định nước rút nhanh hay chậm là tính thấm của đất và tốc độ rút nước Việc xem xét đất có thoát nước hay không có thể đánh giá thông qua việc xác định hệ số không thứ nguyên: 20 Theo Duncan, Wright nếu... không ổn định so với kết quả tính toán bằng phương pháp Bishop được thể hiện trong hình 2.7 24 Hình 2.7 : So sánh áp lực nước kẽ rỗng khi nước rút nhanh giữa phương pháp Bishop và phương pháp vẽ lưới 2.5 Các trường hợp tính ổn định mái dốc khi mực nước trên mái rút nhanh[ 9] Hiện tượng rút nước nhanh có thể xảy ra tại bất cứ thời điểm nào bao gồm cả trong giai đoạn thi công Do đó cần tính toán ổn định mái. .. dựng nâng cấp các đê sông thành đê an toàn cao, lợi dụng tổng hợp và thân thiện với môi trường Khái niệm đê an toàn cao được người Nhật áp dụng là đê sông với bề rộng đủ lớn để ngăn chặn được sự cố vỡ đê và hậu quả của nó Chân đê phía trong có thể mở rộng ra tới 20 đến 30 lần chiều cao đê (tương đương hệ số mái dốc 1/30 đến 1/20) Đê sông an toàn cao làm giảm nguy cơ vỡ đê và mất ổn định mái trong do dòng . văn “NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TRƯỜNG HỢP MỰC NƯỚC RÚT NHANH TỚI ỔN ĐỊNH MÁI NGOÀI ĐÊ SÔNG” được hoàn thành ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân, tác giả còn được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy,. tích thấm và ổn định. Chương 3: Ứng dụng phân tích ổn định mái phía sông đê bờ hữu sông Cầu trong trường hợp mực nước rút nhanh. 3 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐÊ SÔNG VÀ ỔN ĐỊNH ĐÊ SÔNG 1.1 tiêu tổng quát là phân tích ổn định mái đê phía sông trong trường hợp mực nước rút nhanh. Nội dung chính gồm: Nghiên cứu dòng thấm không ổn định trong thân đê vật liệu địa phương khi mực nước