Tìnhhìnhxâydựngđập đấttrênthếgiớivà ở ViệtNam
Đập đất là một loại đập xây dựng bằng các loại đất hiện có ở vùng xâydựng như: sét, á sét, á cát, cát, sỏi, cuội… Đập đất có cấu tạo đơn giản, vữngchắc, có khả năng cơ giới hóa cao khi thi công và trong đa số các trường hợpcó giá thành hạ nên loại đập này được ứng dụng rộng rãi nhất ở hầu hết cácnướctrênthếgiới.
Từ mấy nghìn năm trước công nguyên, đập đất đã được xây dựng nhiềuở Ai Cập, Ấn Độ, Trung Quốc và các nước Trung Á của LiênX ô v ớ i m ụ c đích dângvà giữ nước để tưới hoặc phòngl ũ V ề s a u đ ậ p đ ấ t c à n g đ ó n g v a i trò quan trọng trong các hệ thống thủy lợi nhằm lợi dụng tổng hợp tài nguyêndòng nước Theo tư liệu của ASCE ( American Society of Civil Engineering)thì đập lớn nhất bằng đất lẫn đá cổ xưa nhất là đập Sadd – el – Kafura caokhoảng 22m ở Ai Cập vào khoảng năm 2850 trước công nguyên. Ngày nay,nhờ sự phát triển của nhiều ngành khoa học như cơ học đất, lý luận thấm, địachất thủy văn và địa chất công trình v.v… cũng như việc ứng dụng rộng rãi cơgiới hóa và thủy cơ hóa trong thi công cho nên đập đất càng có xu hướng pháttriển mạnh mẽ Cho đến nay các nước đã xây dựng hàng nghìn đập đất RiêngNhật Bản có 1281 đập đất cao hơn 15m; trong đó có trên 70 đập cao hơn75m.Mộtsố đậpđất lớn trênthếgiới.[12][9].
SouthWestSandStorage(SWSS) Canada 40 Đập đất đắp cao nhất hiện nay là đập Oroville (Mỹ) cao 224m. Trongnhững năm gần đây, trên phạm vi thế giới đang có xu hướng xây dựng nhiềuđậpđ ấ t c a o Ở M ỹ , t í n h t ừ n ă m 1 9 6 3 t r ở l ạ i đ â y t h ì đ ậ p b ằ n g v ậ t l i ệ u đ ị a phương,trongđóchủyếulàđậpđấtchiếm75%trongtoànbộcácđậpđãxây dựng.
Vớiưuđiểmnổibậtcủađậpđấtlàkinhtế,dễdàngtrongthicôngvàvật liệu sẵn có nên đập vật liệu địa phương là loại đập phổ biến nhất khi xâydựng hồ chứa ở Việt Nam Đập đất đã được áp dụng cho nhiều công trình cụthể như: Cấm Sơn, Yên Lập, Núi Cốc, Kẻ Gỗ, Phú Ninh, Dầu Tiếng… Dướiđâylàmột số đập vậtliệu địaphươngtại Việt Nam.[13]
14 ĐáBàn 26,2 1988 Đập chiếm một vị trí quan trọng trong cụm công trình đầu mối của cáchồ chứa hoặc các công trình dâng nước Để xây dựng các đập trên sông, suốingười ta sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau, trong đó dùng đất để đắp đậpkhá phổ biến Các loại vật liệu đất có sẵn ở địa phương từ các sản phẩm củabồi tích, sườn tích hoặc phong hóa, như: á sét, sét, á cát, cuội, sỏi, … đều cóthể dùng cho việc đắp đập Những ưu điểm của đập đất chúng ta đều đã biết,tuynhiên trongmột sốtrường hợpđậpđấtvẫncòn mộtsốtồntại như:
Dođậpđấtcókhốilớnnêndiệntíchchiếmđấtvĩnhviễnvàchiếm đấttạmthờilớn,ảnhhưởngđếnmôi trường sinh thái vàmôi trườngxãhội;
Ởnhữngsôngsuốicósựchênhlệchmựcnướcgiữacácmùalớn, khixâydựngđậpđấp sẽkhôngkinh tếdochiều cao đập lớn,côngtrình trànlớn;
Đấtl à v ậ t l i ệ u d ễ b i ế n d ạ n g d ẫ n đ ế n n ứ t nẻh a y độngv ậ t x â m hại hìnhthành cáchang thấmtập trung.
Tình trạng chung hiện nay nhiều đập đã xuống cấp nghiêm trọng,hiệntượng thấm qua thân đập khá phổ biến Mái thượng lưu các đập đa số đều hưhỏng, đá lát long rời, xói lở; mái hạ lưu các đập có hệ thống tiêu thoát nướcmặt xây dựng chưa tốt, thường bị xói trong mùa mưa bão, một số đập đã xẩyrasựcốthiệt hại đáng kểvềkinhtếxãhộiởvùnghạlưu côngtrình.
Cácgiảiphápchống thấmchođập vànền
Đốivớikết cấuđậpđồng chất
Hình1.1: Đậpđấtđồngchất Khi đập đồng chất đắp bằng đất có hệ số thấm lớn, để đảm bảo được ổnđịnht h ấ m , b i ệ n p h á p t h ư ờ n g d ù n g đ ể đ ả m b ả o ổ n đ ị n h t h ấ m l à t ă n g k í c h thướcmặt cắt đập vàkhối lượngđất đắp.
Đốivới đập khôngđồng chất
Đập không đồng chất có nhiều vật liệu có tính chất cơ lý khác nhau.Trong trường hợp đó phải nghiên cứu kết cấu đập để sử dụng hợp lý các loạiđấtnhằmkhắcphụccácmặtbấtlợivàpháthuyđượccácmặtlợicủachúng đểphòng tránhsựcốdođất gâyra.
Hình1.2: SơđồbốtríđấtđắptrongthânđậpI:Vùngthường xuyên bãohòa
III:Vùngkhôướtthayđổitrong năm (A):Khốilăng trụthượnglưu
(B):Khốitrungtâm (C):Khối lăngtrụ hạlưu Đất có hệ số thấm K>10 -4 cm/s hoặc bị lún ướt lớn, hoặc tan rã mạnh,không được bố trí ở các vùng I và II, có thể bố trí tại vùng III với điều kiệnphảicó biện pháp cách lynướcthấmvàtiêu thoátnướcmưatốt; Đấtbịtrươngnởtựdomạnh,hệsốthấmK>10 -4 cm/skhôngđượcbốtrí tại các vùng A, B, III, có thể bố trí ở vùng C nhưng phải có biện pháp hạthấpđường bãohòavàcáchly,tiêuthoát nướcmưatốt.
Đậpcó tườnglõi mềm
Trong trường hợp khối trung tâm vùng B bằng đất sét hoặc đất á sét, hệsốthấmnhỏ thìkhốinàytrởthànhtường lõi mềm.
Hình1.3:Đ ậ p cótườnglõimềmYêu cầu chủ yếu đối với đất sét làm vật liệu chống thấm là ít thấm nướcvà có tính dẻo Đồng thời đất làm tường lõi chống thấm phải đủ dẻo, dễ thíchứng với biến hình của thân đập mà không gây nứt nẻ Tính dẻo biểu thị bằngchỉ số dẻo (Wn) phải đảm bảo yêu cầu Wn>7 để dễ thi công Đất sét béoWn>20 là loại vật liệu không thích hợp vì có hàm lượng nước quá lớn khó thicôngdễ sinh raáplựckèrỗng lớnlàmmất ổn định mái đập.
10 cộtn ư ớ c , n g ư ờ i t a d ự a v à o c h ỉ s ố Gradientthấmchophép[J]đểxácđịnhbềdàycủatườnglõi.Khixâydựng đậptrênnềnthấm.Độcắmsâutườnglõivàonềnđấttốtítthấmnước.≥0,5
Đậpcó tườngnghiêngmềm
Trong trường hợp khối lăng trụ thượng lưu (vùng A) bằng đất sét chốngthấm,k h ố i l ă n g t r ụ t h ư ợ n g l ư u t r ở t h à n h t ư ờ n g n g h i ê n g c h ố n g t h ấ m t r o n g thânđập.
Tường nghiêng đặt ở sát mái thượng lưu đập có ưu điểm hạ thấp đườngbão hòa xuống nhanh, làm cho đại bộ phận đất thân đập được khô ráo và tăngthêmtínhổnđịnh củamái hạlưu. ĐậpĐáBàn(KhánhHòa)vàđậpNúiMột(BìnhĐịnh) … thuộcloạikếtcấunày.
Bề dày tường nghiêng phụ thuộc các yêu cầu cấu tạo và Gradient thủylực cho phép của đất đắp tường Bề dày tường nghiêng tăng từ trên xuốngdưới.Bềdàyđỉnhtườngkhôngnhỏhơn0,8m, chântườngnghiêngkhôngnhỏ hơn 1 H(H:cộtnướctácdụng)nhưngkhôngnhỏhơn2-3m.Độvượtcaocủa
Trênmặttư ờn g nghiêngcóphủmộtlớpbảovệ đủdàyđểtránhmưa nắng,sónggiógiữatườngnghiêngvàlớpbảo vệcóbốtrítầnglọcngược.
Đập đất đồngchất có chân răng
Khi có đủ đất đắp với hệ số thấm không lớn thì có thể đắp đập đồngchất.N h ư n g n ế u n ề n l à c á c l ớ p t r ầ m t í c h c ó h ệ s ố l ớ n , v ớ i c h i ề u d à y t ầ n g thấm không lớn (T< 6 ÷ 7 m) thì có thể làm chân răng ngang toàn bộ tầngthấm.Vậtliệulàmchânrăngđượcsửdụngbằngchínhđấtđắpđập.Khiđ ókếtcấuđập làloạiđập đồng chất có chân răng.
Đậpđất cótườngnghiêngvàsân phủphíatrước mềm
Khi đắp đập có tường nghiêng trên nền có lớp đất thấm mạnh có chiềudày lớn, người ta thường xây dựng thêm 1 sân phủ phía trước chống thấmbằngcùng một loạiđất vớitườngnghiêngnối liền vớinhau.
Sân trước có tác dụng nhiều mặt nhưng chủ yếu là tăng chiều dài đườngviềnkhôngthấmđểgiảmáplựcthấmvà lưu lượngthấmquanền.
Kết cấu và kích thước sân phủ trước phải thỏa mãn yêu cầu cơ bản sau:ítthấmnước,có tínhmềmdẻo dễ thích ứng vớibiến hình củanền.
Chiều dài sân trước được xác định theo các yêu cầu kinh tế và kỹ thuậtphụ thuộc nhiều yếu tố như: chênh lệch mực nước thượng hạ lưu đập,chiềudàisân phủ thường lấytheo kinhnghiệm
Trongđó:k,knền:hệsốthấmcủavậtliệulàmsântrướcvànền.ttb: chiềudàytrungbình củasântrước.
Hình1.6: Đậpđấtcótườngnghiêngsânphủmềm Bềdàysân trướctđượcxácđịnh theo côngthức:
∆𝐻: chênh lệch cột nước giữa mặt trên và mặt dưới sân trước tại điểmtínhtoán
[J]: Gradient thấm cho phép đối với vật liệu làm sân trước, đối với đấtsét[J]=4÷6.
Bề dày sân trước còn phụ thuộc điều kiện thic ô n g đ ố i v ớ i đ ấ t s é t b ề dàynhỏnhấtđầusân𝑡 𝑑≥ 0,5÷1,0mcuốisânchỗtiếpgiápv ớ i t ư ờ n g nghiêng𝑡
MNC tấm phản áp BTCT
Màng chống thấm bằng v÷a xi m¨ng - bentonite
Đậpđất cótườngnghiêngvà chân răngmềm
Trường hợp tường nghiêng trên nền có lớp đất thấm mạnh và tầngkhông thấm nằm không sâu, người ta xây dựngmộtchân răngc ắ t q u a n ề n cắmsâu vàotầngkhôngthấm.
Hình1.7: Đậpđấtcótườngnghiêngchânrăng mềm. Độ cắmsâu củachânrăng vào tầng khôngthấm𝛿>0,5÷1,25m.
Đậpcó màng chốngthấm ở nền bằngkhoanphụtvữaxi măng– bentonie
Trường hợp đất nền là lớp bồi tích dày hơn 10m, phía dưới là đá phonghóa nứt nẻ mạnh, hoặc trong lớp bồi tích có lẫn đá lăn, đá tảng lớn không thểđóng cừ chống thấm được thì biện pháp xử lý tốt nhất là khoan phụt vữa.Khoan phụt vữa dung dịch vữa xi măng sét có các phụ gia cần thiết tạo màngchống thấm trong thân đập và nền đập Kết cấu này thi công thuận lợi có hiệuquảtrướcmắt,nhưngđộbền vàtuổi thọkhông cao.
Đậpcótườngchốngthấmcứng
Ở những vị trí đắp đập không có vật liệu chống thấm bằng đất sét, phảichuyên chở xa quá đắt, cần thiết phải xem xét giải pháp tường chống thấmcứngnhư: gỗ,đáxây,bêtông,cừbêtông cốtthép,cừthép,…
Loạiđậpđấtcótườngnghiêngchốngthấmcứng(nhưbêtông,BTCT)ít được dùng vì: cấu tạo phức tạp, dễ sinh nứt nẻ khi nhiệt độ thay đổi hoặcthânđậplún,giáthành cao.
Tường cừ chống thấm bằng bê tông cốt thép phải đảm bảo: bề dày ởđỉnht ư ờ n g k h ô n g n h ỏ h ơ n 0 , 3÷0,5m,c h i ề u d à y đ á y t ư ờ n g b ằ n g khoảng� 1
15 Để hạn chế nứt gẫy tường lõi BTCT, cần bố trí những khe lún thẳngđứng cách nhau 15÷25m và gia cố thêm một lớp đất sét chống thấm ở mặttrướccủatường lõi.
Trường hợp chỉ cần chống thấm cho đập đất trong phạm vi lớp bồi tích,trong đó không có đá lăn, đá tảng chiều dày lớp bồi tích T1,0÷1,5.
Vị trí tường răng[9]: để đảm bảo vấn đề giảm lưu lượng, hạ đường bãohòavàgiảmGradientthấm,vịtrítườngrăngnằmtrongđoạngiữathânđập, 𝑥
= 0,5÷0,7 là hợp lý nhất, trong đó tường răng nằm dưới mép nước thượnglưu là tốt hơn cả Nếu vấn đề tổn thất cột nước không đóng vai trò quan trọngtrong mục tiêu thiết kế thì có thể bố trí tường răng nằm trong đoạn dưới máidốc thượng lưu bởi vì tườngr ă n g n ằ m t r o n g đ o ạ n n à y n h ư ợ c đ i ể m c ă n b ả n củan ó l à t ổ n t h ấ t l ư u l ư ợ n g l ớ n T r o n g m ọ i t r ư ờ n g h ợ p k h ô n g n ê n b ố t r í tườngrăngnằmdướimáidốchạlưunhấtlàtrongđoạn 𝑥
𝐵 =0,7÷1 ,bởivì trườnghợpnày,GradientthấmJcdrấtlớnvàđặcbiệtlàđườngbãohòadângcao có thểgâymất ổn định mái dốchạlưu.
Chiều rộng đáy tường răng: chiều rộng hợp lý của tường răng cần đảmbảo chiều rộng đó không sinh ra xói ngầm tường răng dưới tác dụng củaGradientthấm.
Các yêu cầutính toán thấmcho bàitoán đập cótườngtườngrăng
Giảm Gradient thấm trong thân đập và nền đập, mà quan trọng nhất là2khuvực:
Cácphươngphápgiảibài toán thấm quađập có tườngtườngrăng
Trongphạmvi luậnvăn sửdụng2phương pháp:
Phươngphápbiếnđổitươngđương[9](củaNguyễnXuânTrường)
Xácđịnh bềrộngtườngtườngrăng
Nhiều tác giả đã nghiên cứu quy mô, kích thước tường răng bằng thínghiệm và tính bằng phương pháp thủy lực Theo Nguyễn Xuân Trường thìchiều rộng hợp lý của tường răng thực chất là xác định chiều rộng tường răngmà với chiều rộng đó không sinh ra xói ngầm tường răng dưới tác dụng củaGradient thấm Gradient thấm lớn nhất qua tường răng là Gradient tại mặt cắtbénhất, mặ tc ắ t đ á y tườngr ă n g D o đó,trongt h i ế t kế xácđ ị n h chiều r ộ n g hợplý củatường răngcần thỏamãn điềukiện:
Trong đó:𝐽 𝐶𝐷 : Gradient thấm lớn nhất tại mặt cắt nhỏ nhất của tườngrăng Giá trị𝐽𝐶𝐷 ư ợ c x á c định bề rộng đáy tường răng định bề rộng đáy tường răng ị n h t h e o c ô n g t h ứ c k i n h n g h i ệ m c ủ a t á c g i ảNguyễnXuân Trường:
𝑘định bề rộng đáy tường răng
𝛼:h ệ số ph ụ thuộc tỷsố 𝑘 𝑛 vịtrícủ at ườ ng răngt r o n g n ề n xá c đ ị n h
[𝐽 𝐶𝐷 ]: Gradient thấm cho phép tạimặt tiếp xúc CD Trị số[𝐽 𝐶𝐷 ]vừa cóý nghĩa là Gradient tiếp xúc cho phép vì ở đây dòng thấm đi dọc theo mặt tiếpxúcgiữahailoạivậtliệu,nhưngđồngthờivừacóýnghĩalàGradientthấ m cho phép trong môi trường đồng chất, nghĩa là Gradient thấm cho phép quamộtmặt cắt ngang củatường răng.
Tínhlưulượngthấm
Đầutiên,biếnđổinềnthấmnướccóhệsốthấm𝑘 𝑛và chiềudàyTrahệ số thấm giống như thân đập Chiều dày biến đổi𝑇𝑏𝑑xác ịnh theo công định bề rộng đáy tường răng thức:
Khichiều dàynềnthayđổithìhệsốthấm củalõicũngphảithay đổi bởi vì lõi giữa bây giờ bị kéo dài theo nền biến đổi và hệ số thấm biến đổi củalõitínhbằng:
1 1 1 1 𝑘 𝑑 Đểđ ư a v ề t r ư ờ n g h ợ p đ ậ p v à n ề n đ ồ n g c hấ t ( k h ô n g c ó l õ i g i ữ a ) c ầ n biến đổi lõi giữa có hệ số thấm( 𝑘 1 )𝑏𝑑t h à n h m ộ t l õ i t ư ợ n g t r ư n g c ó h ệ s ốthấmbằng hệsố thấmthânđập với chiềurộng:
Cuốicùngtacó sơđồ tính toánlàđập vànềnđồngchất.Đốivới trườnghợpnàycóthể viết phươngtrình tính lưulượngthấmdướidạng:
Trongthựctế,đốivớitrường hợpđậptrênnềnthấmnước,chiềucao hútnướcbénhấtkhitỷsố 𝑘𝑛
Xácđịnh đườngbão hòa
Kết quả nghiên cứu thí nghiệm theo phương pháp EGDA cho thấy rằngtrong mọi trường hợp (đối với loại đập này) đường bão hòa AC có gãy khúctạiđiểmB.Vị trí c ủ a điểm Bth ay đổit h e o t ừn gtrường h ợ p cụt h ể và ph ụ thuộcvàot ỷ s ố h ệ s ố t h ấ m 𝑘𝑛
Trướct i ê n c ầ n x á c đị nh trụct o ạ độxOy, c h í n h làxác địnhđ o ạ n∆ 𝐿. Vớitrườnghợpnày,theotácgiảNguyễnXuânTrườngcó
Côngthứcxácđịnh đườngbãohòatheo trụctọađộ xoycó thểviết dưới dạng:
Từcôngthức(2-8)vẽđượcđườngbãohòaA’BC,trongđóđoạnA’Blà đoạn đường bão hòa tượng trưng trong đập tượng trưng, còn đoạn BC làđoạn đường bão hòa thực đúng với đập thực Để có đường bão hòa thực ABCcần xác định vị trí của đoạn AB trên cơ sở A’B đã có, bằng cách dịch chuyểntươngứngcácđiểmtheotỷlệtươngứng(cácđoạnthẳngcótỷlệkhôngđổi )
→ ư ờ n gđịnh bề rộng đáy tường răng bãohòathực.VịtrícủađiểmBthayđổitheotừngtrườnghợpcụt hểvàxácđịnhtheoHình 2.4:.
𝑘 𝑑 𝐿 ′ nước(trùngvớiđiểmC).Điềunàyhoàntoànphùhợpvớithựctế,bởivìđốivớitr ườnghợpđậpvànềnđồngchấtkhôngcótườngrăngthìđườngbãohòa khônggâyrađiểmgẫykhúc.Khi 𝐻 "
𝑘 𝑑 sốcácđườngcong 0,5𝑙 ′càngtiếngần đếncùngtrị sốcủa 𝐵 ′ và khi 𝑘𝑛 tiến
𝐿 ′ 2 =𝐵 ′ Điềuđócónghĩakhiđậpxâydựngtrên nềncó hệsố thấmrấtlớn thì vị trí điểmBnằmsátmépnướchạlưu củatường
0,5l'L'=0,90,80,70,60,50,40,30,20,1 răng.Đ ó l à h a i t r ư ờ n g h ợ p g i ớ i h ạ n m ú t c ủ a v ị t r í đ i ể m B T r o n g n h ữ n g trường hợp còn lại nghĩa là khi đập và nền có hệ số thấm khác nhau bất kỳ vàchiều rộng của tường răng bất kỳ thì vị trí của điểm B nằm trong khoảng giữatừméphạlưutườngrăng đếnvậtthoát nướcvàxácđịnhtheoHình2.4:.
Tínhtoánthấmbằngphươngphápphầntửhữuhạn
Cơ sở củaphươngpháp [3]
Trong các phương pháp số, phương pháp phần tử hữu hạn được coi làphương pháp hiệu quả nhất hiện nay để giải bài toán cơ học môi trường liêntục So với các phương pháp tính bằng số khác, nó có ưu điểm nổi bật là dễdàngl ậ p c h ư ơ n g t r ì n h đ ể g i ả i t r ê n m á y t í n h , t h u ậ n l ợ i đ ể t ự đ ộ n g h o á t í n h toán hàng loạt lớp bài toán với kích thước, hình dạng, điều kiện biên về thấmkhácnhau.
Phương pháp phần tử hữu hạn không tìm dạng xấp xỉ của hàm cần tìmtrongt o à n m i ề n x á c địnhm à c h ỉ t r o n g t ừ n g m i ề n c o n thuộc miềnx á c đ ị n h (cácphầntử).Dođó,phươngphápphầntửhữuhạnrấtthíchhợpvớih àngloạt các bài toán vật lý và kỹ thuật, trong đó hàm cần tìm được xác định trênnhữngmi ền p h ứ c tạp,b a o gồ m nhiềuv ù n g n h ỏ c ó đ ặ c tí nh k h á c nhau. Matrậnchủyếulập lên phương pháp phần tử hữu hạn sẽ làmatrận băngc à n g làm cho việc tính toán thêm thuận tiện Đó là lý do chính khiến phương phápphần tử hữu hạn ngày càng được sử dụng phổ biến và chiếm ưu thế nổi bậttrongcácphương pháp số hiện nay.
Phương trình cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toánthấm phẳng là phương trình quan hệ giữa lưu lượng điểm nút và cột nước áplực tại điểm nút Sử dụng nguyên lý biến phân cột nước khả dĩ (tương tựnguyênlýc hu yể n vịkhảdĩtrong cơ họ c kếtc ấu ) Nộidungcủ a nguyên lýnhưsau:“Trongmiềnkíncủadòngthấmổnđịnh,khibiếnthiêncộtnướckhả dĩthìcôngbùcủadòngthấmtrênđườngvòngquanhmiền kínphảibằngcông bùtươngứng trongmiềnđó”.
1 0 ) h o à n t o à n tương đương vớitìmcực tiểuphiếmhàmΦcódạng:
Trên một phầnbiênphíahạlưu, chotrướcgiátrị cột nước𝐻=𝐻2
Trênmộtphầnbiêntrongthânđậptừmựcnướcthượnglưuđếnmực nướchạ lưu, cho giá trịcộtnước𝐻=𝐻 (𝑥) b Điềukiện Neiman:
Trênphầnbiênkhác,chưabiếtgiátrịcủaHnhưngđãbiếtgiátrịcủa đạo hàmcột nướctheo phươngpháptuyến:
Do vậy khi giải bài toán thấm qua đập đất cho trước các điều kiện biên(2-12);(2-13)cho trước hệ số thấm𝑘 𝑥 ;𝑘𝑦(có thể phụ thuộc vào toạ ộ x, y) định bề rộng đáy tường răng cho cấu trúc miền thấm: biên thấm; biên không thấm Giải bài toán thấm sẽxác định được lưu lượng thấm Q, cột nước thấm H, trường phân bố vận tốcthấmV(𝑉 𝑥 ;𝑉 𝑦 ),GradientthấmJ(𝐽 𝑥 ;𝐽 𝑦 )tạicácđiểmtrongmiềnthấm. k j i x
Giải bài toán thấm phẳng bằng phương pháp phần tử hữu hạn thông quaviệc tìm cực tiểu phiếm hàm tương đương như đã nêu trên bằng cách tìm cựctiểu phiếm hàm trên miền thấm đang xét được rời rạc hoá bởi các phần tử hữuhạn,đó làmột tập hợp cácphầntửcóhìnhphẳng.
Xét phần tử tam giác có 3 điểm nút i, j, k trong đó ta lưu ý ký hiệu cácnútngượcchiềukimđồnghồ.TậphợpcácgiátrịcộtnướcHởtấtcảcácnúti,j,k củaphầntửđượcký hiệu bởi dạngvector.
Chọn hàm xấp xỉ cột nước H là đa thức bậc 1, các phần tử có điều kiệnbiênliên tụcvềcộtnướctạicácnút.
Ta xác định được các giá trị thông số𝛼𝑖từ hệ phương trình bậc nhất bahàmcột nướctại3 điểmnút.
GiátrịcộtnướcHtạimộtđiểmbấtkỳcótoạđộ(x,y)nằmtrongphầntử sẽ được xác định một cách duy nhất theo 3 giá trị𝐻 𝑖 ;𝐻 𝑗 ,𝐻𝑘ở 3 iểm nút định bề rộng đáy tường răng củaphầntử.
Giải hệphương trình(2-16)ta sẽ có biểu thức xác định giá trị của cácthông số𝛼𝑖theo các giá trị cột nước𝐻 𝑖 ;𝐻 𝑗 ,𝐻𝑘ở các iểm nút Thay vào các định bề rộng đáy tường răng giá trị𝛼 𝑖 tìm được từ(2-16)vào(2-14)ta sẽ có biểu thức xác định hàm H tạimột điểmbất kỳbên trongphầntử.
VớiAlàdiện tíchphần tử(i,j,k)đượctính từphươngtrình
Các hệ số𝑎 𝑗 ,𝑏 𝑗 ,𝑐 𝑗 , 𝑎 𝑘 ,𝑏 𝑘 , 𝑐𝑘cũng ược tính bằng cách hoán vị vòng định bề rộng đáy tường răng quanhcácchỉ số.
Như vậy ta có thể biểu thị giá trị của hàm cột nước H tại một điểm bấtkỳ bên trong phần tử theo các giá trị của nó tương ứng ở 3 điểm nút của phầntửdướidạng matrận.
Vì những giá trị tại các điểm nút của hàm H được xác định một cáchđơn trị trong toàn bộ miền, nên phiếm hàmΦcó thể đạt cực tiểu tương ứngvới những giátrị củahàmHtại cácđiểmnútđó.
𝜕𝐻 𝑖 ứng với từng phần tử hữu hạn đồng quy tại nút i đó rồi tính tổng tất cả nhữnggiá trị nhận được đối với tất cả các phần tử trong hệ, buộc phải thoả mãn bằngkhông.Đóchínhlàphươngtrìnhcơbảncủaphươngphápphầntửhữuh ạnđốivớibài toán thấm.
Tươngứngvớimỗiphầntử,tacó3giátrịđạohàmtại3điểmnútcủa nó:
Thayvàophươngtrình(2-24)vàhaiphươngtrìnhtươngtựcủa(2- 24)vớichỉ số i,j,k vàophương trình(2-25)với:
Matrận[ 𝐾]𝑒g ọ ilà matrận độ cứ ng ph ần tử đặctrưng c ho tí nh thấmcủa phần tử.
Mat r ậ n{ 𝑅}𝑒gọil à v e c t o r t ả i t r ọ n g c ủ a p h ầ n t ử , đ ặ c t r ư n g c h o vectorlưulượngđiểmnút củaphần tử. Đốivớibàitoánthấmổnđịnhtrêncácbiênkhôngcólưulượngnướcbổ sungthì{𝑅}𝑒=0, khi{𝑅}𝑒=0ta có:
Khi thay các điều kiện biên vào(2-30)ta thấy rằng trong vector{𝐻}tạinhững vị trí đã có điều kiện về cột nước𝐻 𝑖 , giá trị của{𝐻}l à 𝐻 𝑖 =𝐻 𝑖d o ó định bề rộng đáy tường răng hệphươngtrình(2-30)có thểbiến đổinhưsau:
{𝐻 0 }:v e c t o r c ộ t n ướ cđãbiết t ừđ i ề u k iệ nb iê n N h ữ n g nú t k h ô n g c ó điềukiện biênthì𝐻 0 =0.Tạinútthứ icócộtnướclà𝐻 𝑖thì 𝐻 0 =𝐻 𝑖
{𝐻 ∗ }:vectorcộtnướctạicác điểmnút tronghệmàtạinhữngnútđã biếtgiátrị cột nướcthì𝐻 ∗ =0.
Khi đã thay điều kiện biên vào hệ(2-34), để ma trận vế trái không suybiến ta phải xoá các dòng tương đương với𝐻𝑖 ã biết, iều này yêu cầu ánh định bề rộng đáy tường răng định bề rộng đáy tường răng định bề rộng đáy tường răng số lại các dòng và cột đưa đến sự xuất hiện ma trận con có cấp bé hơn Để xửlý vấn đề này giả thiết tại nút thứ i ta đã biết giá trị cột nước𝐻𝑖trong ma trận[𝐾]ta xoá các dòng và cột tương ứng (dòng i và cột j), riêng phần tử𝐾 𝑖𝑗 =1.Kết quả ta được ma trận[𝐾 ∗ ] Cùng với sự biến đổi này vector{𝐻 ∗ }ở d ạ n gđầyđủ.
Giải hệ phương trình đại số tuyếntính( 2 - 3 5 ) ta sẽ xác định được cácgiátrị củahàmcột nướcHtại cácnút đãchọntrong toàn miềnthấm.
Xácđịnhphạmvimiềnthấm.Đốivớibàitoánthấmcóáp,phạmvic ủ a m i ề n t h ấ m đ ư ợ c x á c đ ị n h n g a y t ừ đ ầ u v à k h ô n g t h a y đ ổ i t r o n g q u á trình tính toán, nhưng đối với bài toán thấm không áp, biên về đường có ápsuất bằng áp suất khí trời thường chưa được xác định vì vậy phải có các thaotáckhửdần.
Rời rạc hoá miền thấm bằng một mạng lưới các phần tử hình tamgiác liên kết với nhau tại các đỉnh Đánh số (mã hoá) các phần tử và điểm nútcủa mạng lưới theo trình tự từ 1 đến hết Trong quá trình chia phần tử và đánhsốđiểmnút phảilưuýtới việcđánhsốnútvà chiaphầntử sao chotối ưu.
Xác định ma trận cứng của phần tử[𝐾 𝑒 ], vector tải{𝑅 𝑒 }theo côngthứctính toán(2-28).
Thiết lập ma trận cứng của cả hệ (cho toàn miền thấm)[𝐾]vàvector tải của cả hệ{𝑅}từ các ma trận cứng và vector tải cá thể theo(2-31);(2-32).
Giải phương trình đại số tuyến tính(2-30)để xác định cột nước tạicácđiểmnúttính.Nếubàitoánlàkhôngáp,kiểmtralạiđiềukiệnbiêncủa bàitoán,nếu không thoảmãn phảixửlý vàtrởvềbước1đểtính toán tiếp.
Lựachọnphầnmềmtínhtoán
Căn cứ vào lý thuyết các phương pháp tính toán, tác giả lựa chọn phầnmềm Seep/W của công ty Geo-Slope để tính toán thấm Chương trìnhSeep/Wlàphầnmềmsửdụngphươngphápsố(phươngphápphầntửhữuhạn) dùng để mô hình hóa phân bố chuyển động của dòng thấm và phân bố áp lực nướclỗ rỗng trong đất – đá dưới tác dụng của cột nước – hay tải trọng. Chươngtrình có thể phân tích được các bài toán thấm từ đơn giản đến phức tạp nhưthấm ổn định trong môi trường bão hòa, thấm ổn định – không ổn định trongmôit r ư ờ n g k h ô n g b ã o h ò a , n h i ề u l o ạ i đ ấ t đ ắ p đ ậ p , n ề n đ ậ p c ó t ầ n g t h ấ m nướctương đốidầy,địahình biến đổiphứctạp.
Trong đó:𝑘(Θ) 𝑗 : hệ số thấm tính toán đối với độ ẩm xác định i – áp lựcnướclỗ rỗng âm(cm/ph).
𝑘 𝑠: hệsốphùhợp(giátrịđo/giá trịbãohòa tínhtoán).
𝑘 𝑠𝑐 i: lớp độ ẩm cuối cùng phía ướt i=1lớp lỗ rỗng ứng với độ ẩm thấp;i=ml ớ plỗrỗngứngvới độẩmbãohòa.
ℎ 𝑖 : cột nước áp lỗ rỗng âm ứng với lỗ rỗng đầy nướcn:Tổng số lớplỗ rỗng giữaivàm
KếtluậnChương2
Trong chương 2 trình bày cơ sở tính toán xác định các thông số củadòng thấm trong đập đất đồng chất có tường răng cắt qua tầng thấm mạnh ởnền Có thể giải bài toán này bằng các phương pháp khác nhau, trong đó haiphương pháp được quan tâm nhiều nhất là phương pháp thuỷ lực và phươngphápphầntửhữuhạn.
Phương pháp thuỷ lực được tác giả Nguyễn Xuân Trường[9]giải kháthành công trên cơ sở giả thiết biến đổi tương đương về một đập đồng chấttrênnềnkhôngthấm,vớimộtsốthôngsốtínhtoánxácđịnh từkếtquảnghiên cứuthực nghiệm (Hình 2.2:;Hình 2.4:) Cáckết quảtính toánlàphùh ợ p trongmộtphạmvibiếnđổinhấtđịnhcủacácthôngsố(chiềudà ytầngthấm nướcT;tỷlệ 𝑘𝑛 …).Vớiphạmvibiếnđổirộnghơncủacácđạilượngnghiên
Phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên việc giải gần đúng hệ phươngtrìnhc ơ b ả n c ủ a d ò n g t h ấ m quac á c m ô i t r ư ờ n g k h á c n h a u , v à c ó c á c đ i ề u kiện biên tuỳ ý Mức độ chính xác của bài toán có thể đạt cao khi chia cácphần tử đạt được độ nhỏ xác định Việc giải một số lượng lớn các phươngtrình được hỗ trợ bởi các chương trình máy tính Trong luận văn, tác giả lựachọnmodulSeep/ wcủabộphầnmềmGeo–Slopeđểtính toánthấm.
CHƯƠNG3: XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA
Giớihạncácđạilượngnghiêncứu
Theo “Thiết kế đập đất” của Nguyễn Xuân Trường[9]tổng hợp sự phântíchvềvấnđềgiảmlưulượng,hạđườngbãohòavàgiảmGradientthấmthì vịtrítườngrăngthíchhợpnằmtrongđoạngiữathânđập 𝑥 =0,5 0,7làhợp
𝐵 lýnhất,trong đótường răngnằmdướimép nướcthượnglưu làtốthơncả.
Nếu vấn đề tổn thất cột nước không đóng vai trò quan trọng thì trongmục tiêu thiết kế có thể bố trít ư ờ n g r ă n g n ằ m t r o n g đ o ạ n d ư ớ i m á i d ố c thượng lưu bởi vì tường răng nằm trong đoạn này nhược điểm căn bản của nólàtổnthấtlưulượnglớn.Trongmọitrườnghợpkhôngnênbốtrítườngrăng nằmd ư ớ i m á i d ố c h ạ l ư u n h ấ t l à t r o n g đ o ạ n 𝑥 =0 , 7÷1v ì t r ư ờ n g h ợ p n à y
CD rấtlớnvàđặcbiệtlàđườngbãohòadângcaocóthểgây mấtổnđịnhmáidốchạlưu.Dovậytrongphạmvinghiêncứucủaluậnvănxétđ ấtđắpthânđậplàđấtásét,𝑘 𝑑= 10 −4 ÷10 −5 (cm/s);đấtnềnlàcát,đập là côngtrìnhcấpIII; vịtrí tườngrăngđảmbảo 𝑥
Tínhthấmchotrườnghợpđiểnhình
Môhình tính toán
Xét bài toán điển hình: đập đồng chất xây dựng trên nền thấm nước, sửdụng tường răng chống thấm cho nền đập Đập có các cao trình đỉnh đập
Hdd;mực nước thượng lưu Htl; mực nước hạ lưu Hhl, chiều rộng đáy tường răng𝑙,cao trình cột nước thượng lưu H, chiều rộng đáy đập B; hệ số thấm đất đắpthânđập𝑘 𝑑 ; đấtnền𝑘 𝑛
Phântíchlựachọnphươngpháptính toán
Trong luận văn, học viên sử dụng phương pháp thủy lực của NguyễnXuân Trường và phương pháp số để tính toán kiểm tra Xác định chiều rộngcủat ư ờ n g r ă n g t h e o p h ư ơ n g p h á p t í n h t o á n c ủ a N g u y ễ n X u â n T r ư ờ n g đ ể chiều rộng đó không sinh ra xói ngầm tường răng dưới tác dụng của Gradientthấm. Vớigiátrịchiềurộng tườngrăng xác địnhđượcbằng phươngp h á p thủy lực, tiến hành mô hình hóa sử dụng phần mềm Seep/w để tính thấm chođậpcókíchthướctường răng vừaxácđịnh.
Xácđịnhbềrộnghợplý củatườngrăngkhicácsố liệuđầuvàothayđổi
Trìnhtựtính toán xácđịnh bềrộnghợp lýcủatườngrăng
Trịsố[𝐽 𝐶𝐷 ]ở đây xét là Gradient thấm qua tường răng lấy giá trị theobảng[1]
Sau đó học viên sử dụng phần mềm Seep/w để tính toán với cáctrị sốchiềudài củađáytường răngthỏamãn(3-1)đồngthờithỏamãn tốiưu(2-1).
Cáckết quảtính toán
3.3.2.1 Tính toán với chiều cao đập và chiều dày tầng thấm nước không đổi:H đ % m;T=4,5m
Giả thiết các đấtá sét đắp thân đập có các giá trị hệ số thấm:𝑘 𝑑1= 10 −5 (cm/s);𝑘 𝑑2= 10 −4 (cm/s);𝑘 𝑑3=
5.10 −5 (cm/s).Đậpc ó c á c c a o t r ì n h : Hdd%m;Htl!m;Hhl=2m;B1m. Tínhtoánứngvớicáccặpgiátrị
Chiềurộn g đáytường răng(tính theo p.pthủy
Chọnchi ềurộng đáytường răng (theop.p
Gradientlớ n nhất tạiđáy tườngrăng tính bằngSeep/ w lực) thủylực)
Chiềurộ ng đáytường răng(tín htheo p.pthủyl ực)
Chọnchi ềurộngđ áytường răng(the op.pthủy lực)
Gradientlớ n nhất tạiđáy tường răngtính bằngSeep/w
Chiềurộn g đáytường răng(tính theo p.pthủy lực)
Chọnchi ềurộng đáytường răng(the op.p thủylực)
Gradientlớ n nhất tạiđáy tường răngtính bằngSeep/w
Theo kếtquả tính toán sơ bộcó thể thấy đất á sét đắpthân đậpv ớ i c á c giá trị𝑘𝑑thay ổi trong khoảng định bề rộng đáy tường răng 10 −4 ÷10 −5 (cm/s) cho kết quả tương tự nhưnhau.
3.3.2.2 Tính toán vớichiều cao đập thay đổi; k d = 5.10 -5 ; k n = 7,5.10 -
Tính toán thủy lực được giá trị chiều rộng đáy tường răng l , từ giá trị lsử dụng phần mềm seep/w xác định được Gradient thấm lớn nhất tại mặt cắt nhỏnhấtcủatườngrăng.Tínhtoánlạivớigiátrịchiềurộngđáytườngrăng 𝑙′=𝜂 𝜂.𝑙trongđó𝜂𝜂=(0,1;0,2;…)làhệsốđiềuchỉnhchiềurộngđáytườngrăng (xác định thông qua mô hình tính toán Seep/w) so với giá trị đáy tườngrăng tính toán thủy lực để đảm bảo với chiều rộng đáy tường răng𝑙′thìGradient thấm lớn nhất tại mặt cắt đáy tường răng xác định theo mô hình tínhSeep/ wthỏamãn(2-1).Xét cácmô hình tính:
Hd%m Hd m Hdm Hd%m Hd m Hdm
Biểu đồ quan hệ và Gradient
Hình3.5:Biể uđồquanhệG r a d i e n t thấmvà𝜂𝜂khiH đ thayđổi
Qua kết quả tính vàHình 3.5:có thể thấy khi chiều cao đập tăng, đểđảm bảo điều kiện(2-1)hệ số𝜂𝜂có xu hướng giảm Do đó trong phần tínhtoántiếp theo, họcviêntínhtoánứngvớitrườnghợp Hđ%m(Hình3.2:)
Bảng3.7: Trườnghợp1:k d =5.10 -5 (cm/s); kn 0 k d k n k d hệ số𝜼
Biểu đồ quan hệ Gradient và
Bảng3.8: Trườnghợp2:k d =5.10 -5 (cm/s); kn : k d k n k d hệsố𝜼
Biểu đồ quan hệ Gradient và 𝜂𝜂
Biểu đồ quan hệ Gradient và 𝜂𝜂
Bảng3.10: Trườnghợp4:k d =5.10 -5 (cm/s); kn @: k d k n k d hệsố𝜼
Biểu đồ quan hệ Gradient và 𝜂𝜂
Bảng3.11: Trườnghợp5:k d =5.10 -5 (cm/s); kn 0: k d k n k d hệsố𝜼 chiềurộngđáytườngrăng
Biểu đồ quan hệ Gradien và 𝜂𝜂
Bảng3.12: Trườnghợp6:k d =5.10 -5 (cm/s); kn : k d k n hệsố𝜼 k d
Biểu đồ quan hệ và Gradient kn/kd = 18 kn/kd = 18 kn/kd kn/kd = 18
0,750,850,951,051,151,251,351,451,551,651,751,851,95 kn/kd = 18 kn/kd Gradient hệsố
Gradient Hình3.13: BiểuđồquanhệG r a d i e n t thấmvà𝜂𝜂 t rư ờn g hợp8
Bảng3.15: Trườnghợp9:k d =5.10 -5 (cm/s); kn : k d k n hệ số𝜼 k d chiềurộng đáytườngrăng
Gradient Hình3.14: BiểuđồquanhệG r a d i e n t thấmvà𝜂𝜂trườnghợp9
Bảng3.16: Trườnghợp10:k d =5.10 -5 (cm/s); kn = 14: k d k n hệsố𝜼 k d
Gradient Hình3.15: BiểuđồquanhệG r a d i e n t thấmvà𝜂𝜂trườnghợp10
Biểu đồ quan hệ Gradient và 𝜂𝜂
Bảng3.18: Trườnghợp12:k d =5.10 -5 (cm/s); kn = 12: k d k n hệsố𝜼 k d
Gradient Hình3.17: BiểuđồquanhệG r a d i e n t thấmvà𝜂𝜂trườnghợp12
Bảng3.19: Trườnghợp13:k d =5.10 -5 (cm/s); kn = 11: k d k n hệsố𝜼 k d
Gradient Hình3.18: BiểuđồquanhệG r a d i e n t thấmvà𝜂𝜂trườnghợp13
Biểu đồ quan hệ Gradient và 𝜂𝜂
Bảng3.21: Trườnghợp15:k d =5.10 -5 (cm/s); kn = 9: k d k n k d hệsố𝜼 chiềurộngđáytườngrăng
Gradient Hình3.20: BiểuđồquanhệG r a d i e n t thấmvà𝜂𝜂trườnghợp15
Bảng3.22: Trườnghợp16:k d =5.10 -5 (cm/s); kn = 8: k d k n hệsố𝜼 k d
Gradient Hình3.21: BiểuđồquanhệG r a d i e n t thấmvà𝜂𝜂trườnghợp16
Bảng3.23: Trườnghợp17:k d =5.10 -5 (cm/s); kn = 7: k d k n hệsố𝜼 k d
GradientHình3.22: BiểuđồquanhệG r a d i e n t thấmvà𝜂𝜂trườnghợp17
Biểu đồ quan hệ kn/kd và hệ số 𝜂𝜂
Từbảnggiátrị tính toáncáctrường hợp1 –17vàcácbiểu đồHình 3.6: đếnHình3.22:,họcviênxây dựngbiểuđồquanhệgiữatỷ số kn vàhệsốđiều k d chỉnhchiềurộngđáytườngrăng𝜂𝜂nhưsau:
Phântíchảnhhưởngcủa cácyếutốđếnchiềurộngyêucầucủatườngrăng:67 3.4 Kếtluậnchương3
𝑘 𝑑 ≤16(đốivới trườnghợpchiều dàytầngthấmnước T =4,5m), 𝑘𝑛 ≤ 15(đốivới trườnghợp
𝑘 𝑑 chiềudàytầngthấmnướcT=5,5m)thìcóthểgiảmbềrộngđáytườngrăng sovới kếtquảtínhtoán bằngphươngphápthủylựccủaNguyễnXuân Trường màvẫnđảm bảo𝐽 𝐶𝐷
𝑘 𝑑 thayđổingoàiphạm vinóitrênthì phảităngbềrộngcủađáytườngrăngsovớikếtquảtínhtoánthủylực.Điều này được giải thích như sau: khi đất nền có hệ số thấm lớn, tổn thất cột nướcdod ò n g t h ấ m ởp h ầ n p hí atrướcvà sau tư ờn gr ăn gr ất n h ỏ , d o đó h ầ u n hư toàn bộ cột nước thấm tổn thất qua tường răng Khi Gradient cho phép đãkhống chế thì chiều dày tường răng phải lớn Ở phương pháp biến đổi tươngđương, chiều dày tầng thấm biến đổi rất lớn, chiều dài đường thấm phía trướcvà sau tường răng cũng tăng lên rất nhiều, do đó tăng cột nước tổn thất ở phầnnày và giảm phần cột nước tổn thất qua tường răng, tức giảm bề rộng tườngrăng.
𝑘 𝑑 khôngđổi,chiềucaođậpgiảm thì có thể giảm chiều rộng đáy tường răng so với kết quả tính thuỷ lực sơ bộ,giátrị hệsốtratheo đồ thịHình 3.23:
Trong chương 3 tiến hành tính toán theo modul phần mềm Seep/w chođập đất đồng chất có tường răng, khống chế Gradient thấm ở đáy tường rănghợplý.VớitrịsốJCD=0,85m (đậpđấtcấpIII)chocácđậpcóchiềudàytầng thấmTvàtỷlệhệsốthấm 𝑘𝑛
𝑘 𝑑 nằmngoàiphạmvinóitrênthìphảităngbềrộngtường răng.H ệ số t ă n g c h i ề u d à i t ườ ng r ă n gcót h ể xácđịnht h e o bi ểu đồ hì nh Hình3.23:theođó,khi 𝑘𝑛
𝑘 𝑑 ≥50thìcóthểlấy=2,65khiT=5,5m; =2,9 khi T = 4,5m;= 3,15 khi T = 3,5m Với các trị số T khác nhau thì có thể nộisuytừtrịsốtrên.
Các kết luận trên được áp dụng khi đất đắp chân răng (đất đắp đập) cóJCD = 0,85 Đây là trị số khá an toàn trong quá trình tính toán Với các đậpquan trọng, hoặc có khối lượng lớn, cần có các nghiên cứu riêng để chính xáchoátrị số.
Giớithiệucôngtrình
CôngtrìnhhồchứanướcThượngTrínằm trênđịabànxãKỳHoacáchthị trấn KỳAnhkhoảng8kmvề phía Tâyvàcó vịtríđịalý nhưsau:
PhíaNamgiáp dãynúi Hoành Sơn vàKỳNam
Cáckíchthướccơbảncủađập
Hình4.1: Mặtcắtcơbảnđập ThượngTrí ĐậpThượng Trí cósơđồnhưHình 4.1:vớicácthôngsố:
CaotrìnhđỉnhđậpHdd%m;CaotrìnhđáyHđáy=0m;Lăngtrụthoát nướcHlt=4m;CơdậpHcơm;Hệsốmái đậpnhưHình4.1:
Htl!m;mựcnướchạlưuHhl=2m;Chiềudàytầng thấmT=4,5m.Chiềurộngđáyđập B 1m
Hệsố thấmđấtđắp thânđậpkđ=8,2.10 -5 (cm/s);đất nềnlàloạicátlẫncuộisỏi cókn= 10 -3 (cm/s)
Xácđịnhcácthôngsốcủatườngrăng
Xácđịnhvịtríhợp lýcủatườngrăng
Theo[9]thìvịtrítườngrăngvừađảmbảovấnđềgiảmlưulượng,vừahạđườ ngbãohoà,giảm Gradientthấm.Vịtrítườngrăng 𝑥 =0,5÷0,7làhợp
0,5;0,6;0,7từđó tínhtoán xácđịnh bềrộng củatường răng.
Xácđịnh bềrộngtường răng
Tínhtoánthấmvớibềrộngtườngrăngđãchọn
Tínhtheo phươngpháp thuỷlực
Với các giá trị chiều rộng đáy tường răng theo phương pháp thuỷ lựcxácđịnhtrongBảng4.1:.Sửdụngcáccôngthức(2-3);(2-4);(2-5);(2- 6)tacóbảng giátrịlưulượng thấm:
Theo kết quả tính toán chiều rộng đáy tường răng với các vị trí đặttường răng khác nhau nhưng đảm bảo vấn đề giảm lưu lượng, vừa hạ đườngbão hoà, giảm Gradient thấm theoBảng 4.1: Tường răng càng đặt xuôi vềphíahạlưu thì chiềurộngtường răng càngphải lớn.
Tường răng càng đặt về phía mái hạ lưu thì ứng với vị trí đặt tườngrăng, chiều rộng tường răng tại đó cho kết quả tính toán giá trị lưu lượng thấmcànglớn (kết quảtínhtoán tạiBảng 4.2:)
Theo[9]khi vị trí tường răng thay đổi trong đoạn từ đáy mái dốcthượnglưuđếntrụcthẳngđứngđiquamépnướcthượnglưuthìđườngb ão hoàc à n g h ạ t h ấ p k hi t ă n g tỷ số 𝑥
>13 Vì thế về phương diện hạ thấp đường bão hoà, vị trí tường răng nằmtrong đoạn giữa thân đập là hợp lý, trong đó tường răng nằm dưới mép nướcthượng lưulàtốt nhất
Quakết quảtínhtoán,vẽđườngbãohoàABC trongthân đập:
Tínhtheo phươngpháp số
′x á cđịnhtheoBảng4.1:.Tínhtoángiátrị lưulượngthấm,Gradient,vẽđườngbão hoàtheophương pháp số:
Khi tính toán thiết kế tường răng chống thấm cho đập Thượng Trí. Sửdụng phương pháp thuỷ lực của Nguyễn Xuân Trường cần thiết kế đập vớichiềurộngtườngrăng𝑙#m,giátrịlưulượngthấmquađậpq=5,77.10 −6 (m 3 /s). Với biểu đồHình 3.23:xây dựng ở chương III, sử dụngphương pháp số cho kết quả tính toán chiều rộng tường răng𝑙 ′ = 13m; lưulượngthấm𝑞
′=5,96.10 −6 (m 3 /s);đườngbãohoàởhaiphươngphápkhôngcó sự sai khac lớn Như vậy phương pháp số cho kết quả tính toán chiều rộngtường răng nhỏ hơn so với phương pháp thuỷ lực mà hình dạng đường bãohoà,lưulượng thấmk h ô n g sai khácnhiềusovới kết quảtính toán thuỷlực
Đáytườngrăngsaukhiđ à o đếnca o độth iế t kếtrongl ớ p nềnkhôn gthấmcần phải dọnsạch sẽ;
Đất đượcđắp trongđiềukiệnkhô ráovàđượcđầmnén chặt;
Tườngrăng phảicắmvàonềnkhông thấmvớiđộ sâu Tnhưsau:
T > 0,5 m nếu là đá phong hóa mạnh, kèm theo có biện pháp xử lý thấmthích hợpđối vớinềnđá;
Vị trí tường răng nền đặt ở phần đáy của bộ phận chống thấm của đập(đáy tường lõi, đáy tường nghiêng) đối với đập nhiều khối, hoặc đặt tại vị trớcỏch thõn đập thượng lưu một khoảng bằng 1/3 đến ẵ bề rộng đỏy đập đối vớiđậpđồng chất. Đất đắp tường răng phải được chọn lọc kỹ, nhằm đảm bảo yêu cầuchống thấm và độ bền, có hệ số thấm tương tự như hệ số thấm của bộ phậnchốngthấmtrong đập.
Các biện pháp thi công để đảm bảo chất lượng tường răng cần tuân thủtiêu chuẩn thi công đập đất bằng phương pháp đầm nén Cần có biện pháp hỗtrợlàmkhô đáytường răngnhư:
Bốtrí hệthống tiêu hạnướcngầmtại vị tríđàotườngrăng;
Các biện pháp tường vây bentonit, cừ thép, nếu so sánh kinh tế chophép.
4.6 Kếtluậnchương4 Đập Thượng Trí là đập đất đồng chất cấp III, có đất đắp thân đập là đấtá sét, nềncát Dựa vàobiểuđồHình3.23:được xây dựngở c h ư ơ n g 3 , á p dụng tính toán thiết kế bề rộng tường răng cho kết quả thỏa mãn Gradientthấm cho phép Theo kết quả tính toán của luận văn thì chiều rộng đáy tườngrănglà𝑙 ′ m,giảmđược10msovớitính toántheophương phápthuỷlực𝑙
#m.Do đó giảmđược đángkểkhốilượngđào, đắp chân răng.
1 Vềsửdụngsơđồđậpđấtcó tườngrăng Đối với đập đất xây trên nền thấm mạnh việc sử dụng tường răng bằngđất đắp đập là rất thuận lợi, nhất là đối với trường hợp chiều dày tầng thấmkhônglớn.
Về mặt kỹ thuật, sử dụng tường răng bằng đất đắp đập đảm bảo an toànvì đường bão hòa thấm trong thân đập (nhất là đoạn sau tường răng) hạ xuốngthấp,thiếtbịthoátnướcthânđậpởphíahạlưu không cầnquymô lớn.
Trong thiết kế tường răng việc tính thấm là yêu cầu quan trọng để đảmbảo tính ổn định về thấm và chọn được kích thước tường răng hợp lý. Đập đấtdom á i t h o ả i , c h i ề u r ộ n g đ á y đậpr ấ t l ớ n ( t h ư ờ n g b ằ n g 6 –
8 lầ nc h i ề u c a o đập)vìvậy việc xác địnhkíchthước bề rộngđáy tườngrănghợplýc ó ý nghĩaquan trọng.
Trướcđây,chiều rộng đáy tường chân răng được xác định theoc á c côngthức(2-1);(2-2)[9].
Luậnvănđãsửdụngphươngphápmôhìnhsốđểtínhtoánthấmxác địnhGradientlớnnhấtởđáytườngrăngchocácđậpcóchiềucaokhácnhau, chiềudàytầngthấmvàtỷlệ 𝑘𝑛 k h á cnhau.Chiềurộngđáytườngrănghợplý
𝑙 (tỷ lệgiữachiều rộngđáy tườngrăngtínhtheomôhìnhsốsovới [9])cósựbiếnđộngkhálớn(Hình3.23:), do đó :
𝑘 𝑑 vượtrangoàiphạmvitrênthìtrịsố𝑙 ′ định bề rộng đáy tường răngư ợ cxácđịnh theocôngthức𝑙 ′ =𝜂 𝜂.𝑙, trongđó𝑙 tínhtheo[9];giátrị𝜂 𝜂 thamkhảotrênHình3.23:.
Luậnvănáp dụngtínhtoánchođậpThư ợn gTrí vớicáckếtquảnhư sau:
Lưu lượng thấm𝑞 ′ = 5,96.10 −6 (m 3 /s) (so với[9]q = 5,77.10 −6 m 3 / sthìsaikháckhông lớn).
Đường bão hoà ở kết quả tính toán bằng phương pháp số và kết quảtínhtoántheo[9]khôngsai khácnhaulớn.
Như vậy, áp dụng kết quả nghiên cứu của luận văn để xác định bề rộngđáy tường răng cho phép giảm nhỏ kích thước và khối lượng đào, đắp tườngrăng màvẫn đảmbảocácyêu cầu kỹthuậtđối vớiđập.
Trong luận văn, khi xét hình dạng đập mới chọn theo dạng điển hìnhnên chưa đánh giá được ảnh hưởng của biến đổi kích thước đập đến ổn địnhthấmkhi mặt cắttường răng thayđổi.
Các bài toán tính trong luận văn là các bài toán phẳng, chưa xét đến bàitoánkhônggian
Luận văntuycòn nhiều hạn chế song cũng đưa ra được đồ thị để tínhtoánchiều rộngđáy tường răngb ằ n g p h ư ơ n g p h á p p h ầ n t ử h ữ u h ạ n n h ằ m phục vụ công tác thiết kế sơ bộ, nhờ đó người thiết kế có thể tiết kiệm thờigian , có thể thực hiện nhiều phương án và đánh giá so sánh Tuy nhiên cầnphải tiếp tục nghiên cứu, thu thập thêm các số liệu về đập vật liệu địa phươngbao gồmquá trình mực nước trong hồ, các chỉ tiêu cơ lý của nhiều loại đấtnền, đất đắp đập để nghiên cứu tính toán và lập nhiều quan hệ với sự đa dạngvềcácchỉ tiêu phụcvụ tính toán.
Nhữngt ồ n t ạ i t r o n g l u ậ n v ă n s a u n à y s ẽ c ó đ i ề u k i ệ n đ ể h o à n t h i ệ n thêmđểluậnvăn cótính thựctiễn cao hơn.
[2] PhạmNgọcCừ,TônSỹKinh(1981),Độnglựcnướcdướiđất–NXB ĐạihọcTrunghọcchuyênnghiệp.
[3] PhạmNgọcKhánh vàcáctácgiả(1995),Phương pháp phầntửhữu hạn
[4] Phạm Ngọc Khánh (2005), Phương pháp phần tử hữu hạn – Trường ĐạihọcThủyLợi HàNội.
[5] PhanSỹKỳ(2000),Sựcốmộtsốcông trìnhthủylợiởViệtNamvàcá cbiện pháp phòngtránh–NXBNông nghiệp.
[11] TiêuchuẩnQuốcGia(2012),côngtrìnhthủylợi– nềncáccôngtrìnhthủycông –yêu cầuthiếtkế-TCVN4253:2012.
[12] http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_largest_dams_in_the_world