Header Page of 126 -1- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN XUÂN NAM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM GEOSLOPE TÍNH THẤM KHÔNG GIAN QUA NỀN VÀ VAI ĐẬP HỒ CHỨA NƯỚC NƯỚC TRONG - TỈNH QUẢNG NGÃI Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy Mã số: 60.58.40 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2012 Footer Page of 126 -2- Header Page of 126 Công trình ñược hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: GS.TS.NGUYỄN THẾ HÙNG Phản biện 1: TS NGUYỄN VĂN MINH Phản biện 2: TS PHẠM KIM SƠN Luận văn ñược bảo vệ trước Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 12 tháng năm 2012 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Footer Page of 126 -3- Header Page of 126 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Một vấn ñề quan trọng cần phải giải thiết kế công trình thủy dự báo chế ñộ thấm hệ thống (công trình-nền) xác ñịnh thông số dòng thấm phục vụ bước tính toán khác ổn ñịnh mái dốc, xác ñịnh kích thước mặt cắt ngang ñập… Sự phức tạp toán ñược thể chỗ cần phải xét ñến hàng loạt yếu tố tác ñộng như: ñịa hình, ñịa chất công trình; ñặc thù kết cấu công trình biện pháp kết cấu chống thấm thân công trình; khả dao ñộng mức nước thượng hạ lưu… Độ xác dự báo chế ñộ thấm kết thông số dòng thấm phụ thuộc nhiều vào việc sử dụng phương pháp tính toán Hiện nay, vấn ñề nghiên cứu thấm ñã ñạt ñược số kết ñịnh, toán thấm ñược giải phương pháp cổ ñiển như: phương pháp thủy lực, học chất lỏng hay phương pháp ñại như: phương pháp phần tử biên, sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn (PTHH) … theo mô hình thấm chiều, hai chiều, ba chiều Trong ñó phương pháp PTHH có ưu ñiểm phương pháp khác cho lời giải toán thấm xác với trường hợp miền thấm có ñịa chất phức tạp, hình dạng biên ñiều kiện biên Mô ñun SEEP3D phần mềm thương mại GEOSLOPE, ñược xây dựng dựa phương pháp PTHH với khả mô hình hoá dòng thấm ổn ñịnh theo không gian ba chiều Vì vậy, ứng dụng chương trình ñể tính thấm không gian qua vai ñập công Footer Page of 126 Header Page of 126 -4- trình hồ chứa nước Nước Trong so sánh với kết tính toán thấm phẳng, từ ñó ñưa kiến nghị ñối với công trình tương tự MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Tìm hiểu phương pháp tính thấm CTT, làm rõ sở lý thuyết nội dung tính thấm phương pháp phần tử hữu hạn - Cơ sở lý thuyết phần mềm SEEP3D ứng dụng phần mềm tính toán thấm ổn ñịnh ba chiều qua vai ñập Hồ chứa nước Nước Trong, từ ñó kiến nghị ñối với công trình tương tự ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Dòng thấm không gian qua vai ñập hồ chứa nước Nước Trong sông Nước Trong, thuộc xã Sơn Bao, huyện Sơn Hà, tỉnh Quảng Ngãi PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận văn dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, ñồng thời có minh họa tính toán cụ thể Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Tính toán thấm khâu quan trọng trình thiết kế công trình thủy Phương pháp PTHH cho lời giải toán thấm xác với trường hợp miền thấm có ñịa chất phức tạp, hình dạng biên ñiều kiện biên Môñun SEEP3D phần mềm thương mại GEOSLOPE, ñược xây dựng dựa phương pháp PTHH với khả mô hình hoá dòng thấm ổn ñịnh theo không gian ba chiều CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Ngoài phần mở ñầu phần kết luận - kiến nghị, luận văn gồm chương: Chương 1: Lý thuyết tượng thấm phương pháp nghiên cứu thấm Footer Page of 126 Header Page of 126 -5- Chương 2: Đường viền thấm, toán tính thấm không gian qua vai công trình Chương 3: Cơ sở lý thuyết SEEP3D - Giải toán thấm không gian phương pháp phần tử hữu hạn Chương 4: Ứng dụng SEEP3D tính thấm không gian qua vai ñập hồ chứa nước Nước Trong Chương TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG THẤM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN THẤM 1.1 KHÁI NIỆM TỔNG QUÁT VỀ HIỆN TƯỢNG THẤM Sự chuyển ñộng chất lỏng môi trường ñất, ñá nứt nẻ môi trường xốp nói chung, gọi thấm Định luật thấm (ñịnh luật Darcy) ñược biểu diễn phương trình vận tốc thấm: v = Q/F=k.i Hoặc phương trình lưu lượng: Q=k.w.i Các thông số ñặc trưng dòng thấm: - Tốc ñộ dòng thấm (V) - Độ cao thủy lực (H) - Gradien thủy lực I (tổn thất áp lực) - Hệ số thấm K Cấu trúc dòng thấm ñược ñặc trưng yếu tố: - Đường dòng (y): Là ñường mà nước vận ñộng theo Trong chảy tầng, ñường dòng ñường thẳng song song không - Đường (f): Là ñường mà ñiểm áp lực giống Đường vuông góc với ñường dòng 1.1.1 Dòng thấm chảy tầng chảy rối Footer Page of 126 Header Page of 126 -6- 1.1.2 Dòng thấm có áp không áp 1.1.3 Thấm ổn ñịnh không ổn ñịnh 1.1.4 Thấm phẳng thấm không gian 1.1.5 Môi trường thấm ñồng chất không ñồng chất 1.1.6 Môi trường thấm ñẳng hướng dị hướng 1.1.7 Môi trường thấm bão hoà không bão hoà 1.1.8 Hiện tượng mao dẫn thấm không áp 1.2 PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA DÒNG THẤM 1.2.1 Phương trình liên tục thấm hai chiều ổn ñịnh, không áp Phương trình vi phân dòng phẳng ngang thấm không áp nước ngấm từ xuống dạng tổng quát trường hợp ổn ñịnh là: ∂ 2H ∂ 2H W + + =0 ∂x ∂y T (1.4) 1.2.2 Phương trình liên tục thấm không gian Phương trình vi phân Laplace biểu diễn thay ñổi cột áp dòng thấm môi trường ñồng chất ñẳng hướng ∂ 2H ∂ 2H ∂ 2H + + =0 ∂x ∂y ∂z (1.9) 1.2.3 Phương trình ñộng thái ñàn hồi dòng thấm Động thái ñàn hồi dòng thấm phát sinh có thay ñổi tải trọng bên tầng chứa làm thay ñổi áp lực dòng thấm Phương trình vi phân dòng thấm ñiều kiện ñộng thái ñàn hồi có dạng: ∂ H ∂ H ∂ H ∂H + + = ∂x ∂y ∂z a ∂T 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN THẤM Có hướng ñể giải toán thấm: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Footer Page of 126 (1.11) Header Page of 126 -7- - Phương pháp ñồ giải - Phương pháp thí nghiệm thực nghiệm - Phương pháp số 1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 1.3.1.1 Phương pháp học chất lỏng 1.3.1.2 Phương pháp thuỷ lực học 1.3.2 Phương pháp ñồ giải 1.3.3 Phương pháp thí nghiệm 1.3.4 Phương pháp số 1.3.4.1 Phương pháp sai phân hữu hạn 1.3.4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp có ưu ñiểm giải ñược toán thấm có ñịa chất phức tạp hình dạng biên tuỳ ý, cho kết xác tự ñộng hoá dễ dàng máy tính Với hỗ trợ máy tính ñiện tử, phương pháp phần tử hữu hạn ñã trở thành thông dụng công cụ mạnh ñể giải loại toán thấm khác nhau: có áp, không áp, ổn ñịnh không ổn ñịnh, phẳng không gian… Chương ĐƯỜNG VIỀN THẤM, BÀI TOÁN TÍNH THẤM KHÔNG GIAN QUA NỀN VÀ VAI CÔNG TRÌNH 2.1 ĐƯỜNG VIỀN THẤM 2.1.1 Đường viền thấm ñáy công trình: Đường giới hạn phía công trình phân cách phận cấu tạo công trình (móng công trình, thiết bị tiêu nước, sân phủ, hàng cừ, sân sau không thấm nước, v.v ) ñối với ñất gọi ñường viền ñất thực ñáy công trình Footer Page of 126 -8- Header Page of 126 Hình 2.1: Sơ ñồ ñường viền ñất công trình (1-2-3-a-4-5-b-6) - Đường viền ñất ñập; 2.1.2 Đường viền thấm vòng quanh công trình: Đường bão hoà quanh mặt trụ biên (ñường viền ñất 1-2-3-4-5-6, hình 2.2c); phần bão hoà chạy theo tường dọc trụ biên ñược biểu thị hình 2.2a (ñường 3-4) Đường bão hoà ñịnh trị số áp lực nước ngầm lên tường dọc trụ biên A-B a) MNTL C m Z h h1 T b) A MNHL h1 h2 D C-D T III B c) MẶT BẰNG C I II A B D IV V V Hình 2.2: Trụ biên có tường cánh thẳng góc Footer Page of 126 Header Page of 126 -9- 2.1.3 Các phận ñường viền thấm: Khi thiết kế ñường viền thấm công trình, cần phân biệt phận sau ñây: - Sân phủ; - Các vật chống thấm thẳng ñứng dạng cừ, chân khay, tường bêtông chống thấm - Các vật chống thấm ngang (trụ biên, tường bên, tường lõi, hàng cừ ) - Đáy ñập móng 2.1.4 Thiết kế ñường viền thấm hợp lý công trình Với ñường viền ñó công trình ñược ñảm bảo ñộ bền ñộ ổn ñịnh ñiều kiện thấm ñiều kiện lực Mặt khác, dạng hợp lý cần phối hợp ñược ñiều kiện sau ñây: - Tính kinh tế công trình - Tính ñơn giản thi công thi công ñược thời gian ngắn - Khả sử dụng ñược vật liệu ñịa phương ñể xây dựng công trình - Quản lý vận hành công trình ñược thuận tiện 2.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN TẮC CỦA ĐƯỜNG VIỀN THẤM : 2.2.1 Thấm có áp ñáy công trình: Khi thiết kế ñường viền ñất công trình cần phân biệt sử dụng sơ ñồ ñường viền ñất nguyên tắc sau, có 05 sơ ñồ [2]: - Tấm móng sân trước vật tiêu nước; - Vật tiêu nước nằm ngang; - Vật tiêu nước nằm ngang móng sân phủ; - Đập có thiết bị tiêu nước thẳng ñứng; - Vật chắn nước thẳng ñứng cắt qua toàn chiều sâu tầng thấm nước (sơ ñồ ñường viền ñất sâu) Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 - 10 - 2.2.2 Thấm vòng quanh công trình Để ñơn giản tính toán, chuyển dòng thấm vòng quanh công trình thành “dòng thấm phẳng” Bằng kết ñơn giản hóa này, tùy theo hình dạng kết cấu trụ biên, ta nhận biết ñược sơ ñồ khác dòng thấm mặt bằng: Hình 2.8: Các sơ ñồ thấm vòng quanh sau ñơn giản hóa dạng hình học trụ biên Hình 2.9: Trường hợp trụ biên nối tiếp với lõi ñất sét màng ngăn dạng hàng cừ Footer Page 10 of 126 Header Page 12 of 126 - 12 - - Xác ñịnh gradient thấm chỗ tiếp xúc ñất hạt rời mịn ñất hạt lớn (các chỗ xảy xói ngầm ñất hạt mịn vào lỗ rỗng ñất hạt lớn) Hình 2.11: P-P: Đường ño áp ñối với phận nằm ngang ñường viền ñất (2-3) (4-5) 2.3.1.1 Tính toán thấm cho ñường viền ñất trường hợp ñất ñồng nhất, ñẳng hướng (Phương pháp hệ số sức kháng Trugaep) 2.3.1.2 Tính toán thấm cho ñường viền ñất ñáy công trình trường hợp ñất ñồng nhất, bất ñẳng hướng 2.3.1.3 Tính toán thấm cho ñường viền ñất ñáy công trình trường hợp ñất không ñồng gồm lớp ñất nằm ngang khác 2.3.2 Tính thấm cho ñường viền vòng quanh công trình (theo phương pháp S.N.Numêrôp) Việc tính toán thấm cho ñường viền vòng quanh công trình (trụ biên, tường bên) phải nhằm mục tiêu sau ñây: - Vẽ ñược ñường cong bão hòa quanh trụ biên, cần cho việc tính toán tĩnh lực trụ biên; Footer Page 12 of 126 Header Page 13 of 126 - 13 - - Xác ñịnh gradient thấm dùng ñể kiểm tra ñộ bền thấm chung ñất ñắp sau lưng trụ biên Nếu vẽ ñường dòng thấm theo ñường 1-2-3-4-5-6 (hình 2.3c) triển khai mặt phẳng, ta nhận ñược hình ảnh hình 2.7 Hình ảnh tương tự hình ảnh dòng thấm qua ñập ñất thấm nước Hình 2.23: Đường bão hòa quanh trụ biên-I Như vậy, tính toán thấm vòng quanh trụ biên, ta áp dụng phương pháp giống tính toán thấm qua ñập ñất thấm nước 2.3.2.1 Trường hợp ñập ñất ñồng chất 2.3.2.2 Trường hợp ñập ñất có lõi 2.3.2.3 Vùng hoạt ñộng thấm ñập 2.3.2.4 Lập ñường bão hòa quanh trụ biên theo phương pháp F.Forkhgâymê - Tấm ñáy tượng trưng 2.3.3 Tính ñộ bền thấm công trình 2.3.3.1 Tính ñộ bền thấm bất thường (ñộ bền thấm ngẫu nhiên) Điều kiện chung: Xuất phát từ ñộ bền bất thường ñất nền, kích thước hình dạng ñường viền ñất, cần phải thỏa mãn ñiều kiện sau ñây: Jk ≤ [Jk ]cp (2.72) Trong ñó: Jk - Gradient thấm chung hay công trình [Jk ]cp - Gradient thấm chung cho phép hay công trình Xác ñịnh trị số cho phép ñộ dốc ño áp kiểm tra [Jk]cp Footer Page 13 of 126 Header Page 14 of 126 - 14 - Trị số ñộ dốc ño áp cho phép [Jk]cp dùng ñể kiểm tra ñộ bền bất thường ñược xác ñịnh theo công thức: [Jk]cp = J0/KH 2.3.3.2 Tính ñộ bền thấm bình thường (ổn ñịnh thấm cục ñất nền) Đường viền ñất ñược ñịnh quan ñiểm ñộ ổn ñịnh chung ñất phải kiểm tra về: - Sự trồi ñất cục thấm hạ lưu phía sau hàng cừ (hoặc chân khay) hạ lưu - Sự xói lùng mặt ñáy hạ lưu bên có phủ tầng lọc ngược - Sự xói lùng bên (xói ngầm) xảy mặt tiếp giáp ñất to hạt ñất nhỏ hạt Kiểm tra trồi ñất cục thấm ñường viền ñất theo phương pháp V.S.Bcumgart R.N.Đaviñancop Kiểm tra xói lùng mặt ñáy hạ lưu Kiểm tra xói lùng bên (xói ngầm) ñất 2.3.4 Tính ñộ bền thấm ñất ñắp sau lưng trụ biên 2.3.4.1 Quy ñịnh chung Khi ñánh giá tính toán ñộ bền thấm ñất ñắp sau lưng trụ biên cần xem xét ñộ bền ngẫu nhiên (bất thường) ñất Độ bền thấm bình thường ñất hạ lưu trụ biên phải ñược ñảm bảo việc bố trí thiết bị tiêu nước cần thiết có lọc ngược bảo vệ 2.3.4.2 Phương pháp tính toán Cần phải thực việc kiểm tra ñộ bền thấm ñất ñắp sau lưng trụ biên cách sau ñây: - Giả thiết tầng không thấm nằm cao trình ñáy hạ lưu (ñộc lập với vị trí thực nó); Footer Page 14 of 126 - 15 - Header Page 15 of 126 - Thay trụ biên ñã cho móng tưởng tượng giả thiết móng chịu tác dụng cột nước cột nước tính toán Z tác dụng lên trụ biên; - Đối với móng tưởng tượng phải xác ñịnh trị số gradient thấm kiểm tra Jk; - Cuối cùng, so sánh giá trị Jk ñã tìm ñược với giá trị cho phép (Jk)cho phép Trong trường hợp nếu: Jk ≤ (Jk)cho phép (2.78) ñường viền ñất ñã thiết kế trụ biên ñược coi bền thấm Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA SEEP3D GIẢI BÀI TOÁN THẤM KHÔNG GIAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 3.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT SEEP3D GIẢI BÀI TOÁN THẤM 3.2.1 Hàm số hàm lượng chứa nước thể tích Phương trình: θ = Vw /V (3.1) 3.2.2 Hàm số thấm 3.2.3 Quy luật dòng chảy Tuân theo ñịnh luật Darcy là: q = ki (3.2) Trong ñó q: Lưu lượng ñơn vị; - k : Hệ số thấm; i: Gradient thủy lực 3.2.4 Các phương trình tổng quát Phương trình thấm tổng quát (3.4) Footer Page 15 of 126 - 16 - Header Page 16 of 126 Trong ñó: - H : Tổng cột nước (tổng áp suất); - kx, ky, kz : Hệ số thấm theo hướng x, y, z; - Q : Tổng lưu lượng nút; θ : Hàm lượng chứa nước thể tích; Phương trình thấm ổn ñịnh ∂  ∂H  ∂  ∂H  ∂  ∂H   + kz +Q = kx  + ky ∂x  ∂x  ∂y  ∂y  ∂z  ∂z  Phương trình thấm không ổn ñịnh: ∂  ∂H  ∂  ∂H  ∂  ∂H  ∂H  k y  +  k z kx +  + Q = mwγw ∂x  ∂x  ∂y  ∂y  ∂z  ∂z  ∂t (3.5) (3.11) 3.2.5 Hệ tọa ñộ Các tọa ñộ x, y, z phần tử có liên hệ với tọa ñộ ñịa phương tọa ñộ x, y, z nút phương trình sau: x = N {X} ; y = N {Y} ; z = N {Z} Trong ñó N : Vector hàm dạng nội suy; - {X}, {Y}, {Z} : Các tọa ñộ x, y, z nút phần tử 3.2.6 Các hàm nội suy 3.2.7 Mô hình biến số trường Biến số trường phân tích trình thấm qua cột nước tổng (H) nên cần phải thông qua mô hình phân phối H vào phần tử ñó Dạng phương trình mô hình phân phối cột nước tổng: h = N {H} (3.15) 3.2.8 Các ñạo hàm hàm số nội suy Gradient theo hướng x , y z là: ∂h ∂ N {H} ix = = ∂x ∂x ∂h ∂ N {H} iy = = ∂y ∂y Footer Page 16 of 126 (3.18) (3.19) - 17 - Header Page 17 of 126 ∂h ∂ N {H} (3.20) = ∂z ∂z 3.3 GIẢI BÀI TOÁN THẤM BA CHIỀU BẰNG PHƯƠNG iz = PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 3.3.1 Các phương trình phần tử hữu hạn Phương trình PTHH thấm không ổn ñịnh là: [K ]{H} + [M]{H}, t = {Q} (3.29) Trong ñó : [K ] : Ma trận ñặc trưng phần tử ; [M ] : Ma trận khối phần tử {Q} : Vector lưu lượng phần tử Phương trình PTHH thấm ổn ñịnh là: [K ]{H} = {Q} (3.30) 3.3.2 Phép tích phân theo thời gian 3.3.3 Tích phân số Tích phân: ∫ V ([B] [C][B])dV T Có thể ñược thay ∑ [B j ] [C j ][B j ]det J j W j r n T (3.33) j=1 Trong ñó: j: Điểm tích phân; n: Số lượng ñiểm tích phân - det J j : Định thức ma trận Jacobian; - Wj : Hệ số trọng số 3.3.4 Ma trận dẫn thuỷ lực Dạng tổng quát ma trận dẫn thủy lực sử dụng SEEP3D là:  C11 [C] = C 21 C 31 C12 C 22 C 32 C13  C 23  C 33  Trong ñiều kiện ñẳng hướng, [C] rút gọn thành: Footer Page 17 of 126 (3.34) - 18 - Header Page 18 of 126 k x [C] =   0  k z  ky (3.36) 3.3.5 Ma trận khối lượng Ma trận khối lượng phần tử (ma trận dự trữ) ñược xác ñịnh [M] = ∫v (λ N T sau: ) N dV 3.3.6 Lưu lượng biên Vectơ lưu lượng biên ñược bổ sung bề mặt phần tử ñược ñịnh nghĩa là: ∫A (q N T ) N dA (3.37) 3.3.7 Sắp xếp giải phương trình tổng quát 3.3.8 Sơ ñồ giải lặp 3.3.9 Gradient vận tốc Gradient ñiểm giải Gauss ñiểm tích phân ñược tính toán theo phương trình sau: (3.39) Vận tốc Darcy ñiểm giải Gauss ñược tính phương trình sau: (3.40) 3.3.10 Lưu lượng dòng thấm Lưu lượng ñược tính sử dụng phương PTHH {Q} = [K ]{H} + [M ] ∆H ∆t Footer Page 18 of 126 (3.41) Header Page 19 of 126 - 19 - Trong phân tích trạng thái ổn ñịnh phương trình giảm số còn: {Q} = [K ]{H} (3.42) 3.3.11 Hàm vật liệu Chương ỨNG DỤNG SEEP3D TÍNH THẤM KHÔNG GIAN QUA NỀN VÀ VAI ĐẬP HỒ CHỨA NƯỚC NƯỚC TRONG 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG 4.2 TÀI LIỆU TÍNH THẤM 4.2.1 Các thông số thiết kế - Cấp công trình (theo TCXDVN 285-2002) : cấp II - Gradient cho phép : [J] = 1,0 - Vận tốc thấm cho phép : [V]=30(cm/s) - Cao trình MNDBT : +129,50m - Cao trình mực nước Hlmin : +70,20m - Cao trình ñáy ñập phía thượng hạ lưu : +63,50m - Chiều dài ñập : 366m; - Chiều rộng ñỉnh ñập : 9,0m - Chiều rộng ñáy ñập : 66,5m - Chiều dài bể tiêu : Lb = 81,50m 4.3 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM SEEP3D TÍNH THẤM 4.3.1 Nhiệm vụ tính toán - Xác ñịnh Gradient thấm lớn (Jr max ) hạ lưu, gradien trung bình ñập lưng tường biên - Xác ñịnh lưu lượng thấm vận tốc thấm lớn ñập lưng tường biên Dòng thấm qua ñập ñược tính theo mô hình thấm phẳng không gian; thấm qua vai ñập ñược tính theo mô hình không gian Footer Page 19 of 126 Header Page 20 of 126 - 20 - 4.3.2 Các giả thiết 4.3.3 Các trường hợp tính toán Tường hợp 1: Không bố trí tường bên, không chống thấm Trường hợp 2: Không bố trí tường bên, có chống thấm Trường hợp 3: Có bố trí tường bên, có chống thấm 4.3.4 Trình tự tính toán Bước 1: Xác ñịnh vùng làm việc sơ ñồ tính toán Bước 2: Khai báo tiêu ñất nền, vật liệu Bước 3: Khai báo ñiều kiện biên Ta chọn mặt chuẩn 0-0 trùng với cao trình ±0.000 công trình + Biên thượng lưu: Ứng với MNDBT, cột nước H = 129,5m + Biên hạ lưu: Cột nước H = 70,2m - Các mặt phía MNHLmin khai báo biên thấm thế: Bằng thời ñiểm t = + Các mặt biên bên trái, bên phải, biên ñáy mô hình không khai báo ñiều kiện biên, phần mềm tự ñộng gán thông lượng (hay lưu tốc v = 0) Bước 4: Chia lưới tính toán: Ở vùng xuất gradient lớn khu vực sân phủ cửa chia lưới phần tử mịn vùng lại Bước 5: Tính toán Bước 6: Kiểm tra truy xuất kết 4.3.5 Kết tính Footer Page 20 of 126 Header Page 21 of 126 - 21 - Bảng 4.1: Kết tính thấm không gian qua vai ñập Nước Trong TT Trường hợp tính Không tường bên, không chống thấm Không tường bên, có màng chống thấm Có tường bên, có màng chống thấm Giá trị q(l/s) Jrmax Jtb V(m/day) q(l/s) Jrmax Jtb V(m/day) q(l/s) Jrmax Jtb V(m/day) Thấm phẳng 0,0025 0,7 0,3 0,01 0,0018 0,5 0,25 0,01 Thấm không gian Vai Vai Nền ñập trái phải 6,48 3,45 3,45 0,8 2,0 2,0 0,4 1,0 1,0 0,02 0,05 0,05 1,18 3,49 3,49 0,6 0,6 0,6 0,3 0,3 0,3 0,01 0,05 0,05 0,764 1,151 1,151 0,6 0,6 0,6 0,3 0,3 0,3 0,01 0,01 0,01 4.3.6 Nhận xét - Đối với thấm qua nền: Trong tất trường hợp bố trí công trình ñều thỏa mãn ñộ bền thấm vận tốc dòng thấm lớn V < [Vk]cp (V=0,02 (m/ngày)=17,28 (cm/s) < [Vk]cp=30(cm/s) - Đối với thấm qua vai: Với việc không bố trí tường biên thỏa mãn ñiều kiện ñộ bền thấm nên ñây kiến nghị bố trí tường biên theo cấu tạo cách mở rộng vai ñập nhằm tăng ổn ñịnh, tạo thẩm mỹ cho công trình Kết tính thấm thấm phẳng thấm không gian ñập cho thấy thông số dòng thấm tính theo thấm phẳng thiên nhỏ so với thấm không gian, nhiên ñối với trường hợp tính toán cho ñập Nước Trong chênh lệch không lớn không ảnh hưởng nhiều ñến ñộ bền thấm công trình kết nhỏ so với thông Footer Page 21 of 126 - 22 - Header Page 22 of 126 số thấm cho phép Nguyên nhân phần ñây ñịa tầng vị trí xây dựng ñập Nước Trong tương ñối tốt việc chọn xử lý cao trình ñáy ñập thiết kế ñã hạn chế tối ña ảnh hưởng dòng thấm Để làm rõ vấn ñề có sở ñề xuất cho việc chọn hình thức kích thước kết cấu chống thấm cho công trình tương tự, luận văn ñã giả ñịnh sau ñây công trình ñập dâng tương tự ñể tính toán với trường hợp khác ñể có nhận xét, kết luận khái quát 4.3.7 Tính toán ñộ bền thấm cho Đập giả ñịnh 4.3.7.1 Các thông số thiết kế - Cấp công trình (theo TCXDVN 285-2002) : cấp IV; : [J] = 0,59 - Gradient cho phép - Cao trình mực nước thiết kế phía thượng lưu : +10,0m - Cao trình mực nước thiết kế phía hạ lưu : +1,5m - Cao trình ñáy ñập :0,0m; - Cao trình ñỉnh trụ biên :+12m; - Cao trình ñỉnh ñập : +8,0m - Chiều rộng ñỉnh ñập :B=5m; - Chiều dài ñập :L=60m - 4.3.7.2 Kết tính Bảng 4.4: Kết tính thấm không gian qua ñập giả ñịnh TT Trường hợp tính Không tường bên, không cừ Footer Page 22 of 126 Thấm phẳng Giá trị Nền ñập q(l/s) 0,04 Jmax 0,65 Jtb 0,3 V(m/day) 0,73 Thấm không gian Nền ñập 3,93 0,6 0,3 0,21 Vai trái 1,12 1,00 0,50 0,17 Vai phải 1,12 1,00 0,50 0,17 Header Page 23 of 126 Không tường bên, cừ 3,5m Không tường bên, cừ 7m Tường bên thượng lưu 5m, không cừ Tường bên thượng lưu 5m, có cừ 3,5m Tường bên thượng lưu 5m, có cừ 7m Tường bên thượng,hạ lưu 5m, có cừ 7m Tường bên thượng10m,hạ lưu 5m, có cừ 7m Tường bên thượng 5m,hạ lưu 10m, có cừ 7m - 23 q(l/s) Jmax Jtb V(m/day) q(l/s) Jmax Jtb V(m/day) q(l/s) Jmax Jtb V(m/day) q(l/s) Jmax Jtb V(m/day) q(l/s) Jmax Jtb V(m/day) q(l/s) Jmax Jtb V(m/day) q(l/s) Jmax Jtb V(m/day) q(l/s) Jmax Jtb V(m/day) 0,03 0,4 0,2 0,93 0,02 0,2 0,1 1,04 0,53 0,4 0,2 0,17 0,51 0,4 0,2 0,12 2,08 0,6 0,3 0,17 0,52 0,30 0,15 0,12 0,52 0,40 0,20 0,13 0,57 0,40 0,20 0,10 0,57 0,40 0,20 0,09 0,55 0,40 0,20 0,26 0,85 0,80 0,40 0,10 0,73 0,6 0,3 0,09 0,88 1,00 0,50 0,13 0,83 0,40 0,20 0,09 0,83 0,40 0,20 0,09 0,61 0,40 0,20 0,10 0,59 0,40 0,20 0,02 0,38 0,40 0,20 0,01 0,85 0,80 0,40 0,10 0,73 0,6 0,3 0,09 0,88 1,00 0,50 0,13 0,83 0,40 0,20 0,09 0,83 0,40 0,20 0,09 0,61 0,40 0,20 0,10 0,59 0,40 0,20 0,02 0,38 0,40 0,20 0,01 4.3.7.3 Kết luận ñập giả ñịnh Từ kết tính toán bảng 4.4 nhận thấy trường hợp 6,7,8,9 ñập ñảm bảo an toàn thấm Để ñảm bảo an toàn kỹ thuật Footer Page 23 of 126 Header Page 24 of 126 - 24 - thỏa mãn kinh tế chọn trường hợp trường hợp ñập ñược bố trí tường bên thượng hạ lưu xử lý ñến ñộ sâu 3,5m Giá trị Gradien cửa hạ lưu Jrmax = 0,40 < [J] = 0,59 4.3.8 Nhận xét chung Từ kết tính toán trường hợp ứng với hai công trình Đập nước Trong Đập giả ñịnh luận văn ñưa nhận xét sau: - Việc bố trí chống thấm công trình làm giảm gradien vận tốc thấm chỗ hạ lưu tác dụng chống thấm tăng lên chiều sâu xử lý lớn nhiên ñiều ñúng ñến ñộ sâu xử lý ñịnh, màng chống thấm ñạt ñến ñộ sâu phù hợp tác dụng chống thấm không tăng thêm tiếp tục tăng thêm chiều sâu chống thấm Trong thiết kế, tầng thấm công trình có chiều dày lớn cần tính toán thử dần ñể tìm ñộ sâu xử lý phù hợp tránh lãng phí mặt kinh tế Ngoài ra, kết hợp biện pháp kéo dài ñường viền thấm tạo sân phủ thượng, hạ lưu ñể giảm chiều sâu xử lý - Đối với dòng thấm qua vai công trình, tương tự dòng thấm qua nền, bố trí tường bên có tác dụng làm giảm Gradien vận tốc thấm, hạ thấp cao trình ñáy tường biên cừ chống thấm tường biên có tác dụng làm tăng khả chống thấm ñến ñộ sâu ñịnh - Với dòng thấm vòng quanh vai công trình việc tăng kích thước tường bên cắm vào vai ñập, theo phương dọc ñập, có kết chống thấm tốt việc tăng chiều sâu màng chống thấm (tăng thêm ñộ cắm sâu tường bên cắm sâu tường cừ tường biên) - Ưu tiên bố trí chống thấm, cừ chống thấm tường biên phía thượng lưu ñập, có tác dụng làm giảm giá trị gradien thấm tốt bố trí hạ lưu Footer Page 24 of 126 Header Page 25 of 126 - 25 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Một vấn ñề quan trọng cần phải giải thiết kế công trình thủy dự báo chế ñộ thấm hệ thống (công trình - nền) xác ñịnh thông số dòng thấm phục vụ bước tính toán khác ổn ñịnh mái dốc, xác ñịnh kích thước mặt cắt ngang ñập Việc giải toán thấm phẳng ñến ñã ñược nghiên cứu nhiều thực tế ñã có nhiều công cụ ñể phục vụ tính toán Tuy nhiên, dòng thấm không gian vòng quanh công trình nhiều vấn ñề phải nghiên cứu Dòng thấm không gian toán phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố mà phương pháp tính thấm cổ ñiển như: theo phương pháp thuỷ lực; phương pháp tỷ lệ ñường thẳng; tính thấm theo phương pháp học chất lỏng; phương pháp ñồ giải…không thể ñược chất toán thấm 3D có ñiều kiện ñịa chất ñường viền thấm phức tạp, kết tính thiên an toàn hoăc ngược lại Do ñầy ñủ chất toán, người thiết kế sử dụng phương pháp thường chọn hệ số an toàn cao ñể ñảm bảo an toàn cho công trình, gây lãng phí Môñun SEEP3D phần mềm GEOSLOPE cho phép tính toán thấm không gian, ổn ñịnh không ổn ñịnh cho vùng có ñịa hình ñịa chất phức tạp; kết tính có ñộ tin cậy cao, nhanh chóng, ñáp ứng ñược yêu cầu xây dựng công trình Qua tính toán ñập nước trường hợp ñập giả ñịnh, luận văn cho thấy khả mô tốt dòng thấm qua công trình phần mềm GEOSLOPE; tìm ñược gradient thấm cực ñại miền thấm; tìm ñược cột nước thấm, vận tốc thấm vị trí cần quan tâm Footer Page 25 of 126 Header Page 26 of 126 - 26 - Kiến nghị Việc xác ñịnh ñặc trưng dòng thấm thiếu tính toán thiết kế công trình thuỷ lợi Đây vấn ñề quan trọng nhằm ñánh giá tượng xói ngầm trôi ñất ñầy ñủ nền, sở ñó ñề biện pháp xử lý hữu hiệu kinh tế việc phòng chống xói ngầm trôi ñất nền, bảo ñảm cho công trình làm việc bền vững Ngày nay, nhờ phát triển công nghệ thông tin, việc áp dụng phương pháp PTHH tính toán thấm trở nên ñơn giản Phần mềm GEOSLOPE có ñộ tin cậy cao, áp dụng cho toán thấm phẳng, thấm không gian có ñiều kiện phức tạp, dễ sử dụng, giúp cho người thiết kế tính toán nhiều trường hợp khác ñể từ ñó chọn ñược giải pháp, kết cấu kích thước phận chống thấm hợp lý mang hiệu kinh tế cao Trên sở nội dung ñã ñược làm rõ luận văn tính toán cụ thể cho công trình ñập Nước Trong ñập giả ñịnh, luận văn có số kiện nghị: - Sử dụng phần mềm GEOSLOPE tính toán thấm cấp công trình - Cần tính theo mô hình thấm không gian công trình có quy mô từ cấp II trở lên, công trình cấp III trường hợp ñiều kiện ñịa hình ñịa chất vai ñập phức tạp - Cần phổ biến ñưa việc giảng dạy chương trình GEOSLOPE chương trình ñào tạo cho sinh viên chuyên ngành xây dựng công trình thủy Footer Page 26 of 126 ... sân sau không thấm nước, v.v ) ñối với ñất gọi ñường viền ñất thực ñáy công trình Footer Page of 126 -8 - Header Page of 126 Hình 2.1: Sơ ñồ ñường viền ñất công trình ( 1-2 -3 -a- 4-5 -b-6) - Đường... pháp nghiên cứu thấm Footer Page of 126 Header Page of 126 -5 - Chương 2: Đường viền thấm, toán tính thấm không gian qua vai công trình Chương 3: Cơ sở lý thuyết SEEP3D - Giải toán thấm không gian. .. Page 20 of 126 Header Page 21 of 126 - 21 - Bảng 4.1: Kết tính thấm không gian qua vai ñập Nước Trong TT Trường hợp tính Không tường bên, không chống thấm Không tường bên, có màng chống thấm Có