“Nghiên cứu kích thước hợp lý của chân răng cắt qua tầng thấm mạnh ở nền đập đất

LỜI CẢM ƠN Luận văn “Nghiên cứu kích thước hợp lý của chân răng cắt qua tầng thấm mạnh ở nền đập đất” được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy Lợi. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Chiến đã tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn các giảng viên Khoa Công trình – Trường Đại học Thủy Lợi, các đồng nghiệp trong và ngoài ngành đã cung cấp các tài liệu phục vụ cho luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Nhà xuất bản, các tổ chức, cá nhân cho phép sử dụng tài liệu đã công bố. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này. Trong nội dung của luận văn không thể tránh khỏi những thiết sót. Tác giả rất mong nhận được những nhận xét và đóng góp của các nhà chuyên môn. Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Tác giả Phạm Minh Tiến LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Phạm Minh Tiến. 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 Phạm Minh Tiến MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU THẤM QUA ĐẬP ĐẤT VÀ NỀN 4 1.1. Tình hình xây dựng đập đất trên thế giới và ở Việt Nam 4 1.2. Các giải pháp chống thấm cho đập và nền 8 1.2.1. Đối với kết cấu đập đồng chất 8 1.2.2. Đối với đập không đồng chất: 8 1.2.3. Đập có tường lõi mềm: 9 1.2.4. Đập có tường nghiêng mềm 10 1.2.5. Đập đất đồng chất có chân răng 11 1.2.6. Đập đất có tường nghiêng và sân phủ phía trước mềm 11 1.2.7. Đập đất có tường nghiêng và chân răng mềm: 13 1.2.8. Đập có màng chống thấm ở nền bằng khoan phụt vữa xi măng – bentonie: 13 1.2.9. Đập có tường chống thấm cứng: 14 1.3. Tình hình nghiên cứu về thấm ở đập đất và nền 15 1.4. Các trường hợp mất an toàn về thấm ở đập và nền 17 1.4.1. Hình thành các hang thấm, ống thấm trong thân đập và nền: trường hợp sự cố ở đập Suối Hành[5] 17 1.4.2. Thấm mạnh ở phần tiếp giáp với công trình bê tông (tràn, cống lấy nước): trường hợp sự cố tại đập Suối Trầu. 19 1.4.3. Thấm dị hướng, đường bão hào dâng cao hơn so với tính toán: 20 1.4.4. Thấm mạnh qua nền: 21 1.5. Giới hạn phạm vi nghiên cứu 21 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN THẤM QUA ĐẬP ĐẤT CÓ TƯỜNG RĂNG CẮT QUA TẦNG THẤM MẠNH 22 2.1. Tổng quát 22 2.1.1. Các điều kiện và sơ đồ bố trí đập đồng chất có tường tường răng 22 2.1.2. Các yêu cầu tính toán thấm cho bài toán đập có tường tường răng 23 2.1.3. Các phương pháp giải bài toán thấm qua đập có tường tường răng 23 2.2. Phương pháp biến đổi tương đương [9](của Nguyễn Xuân Trường) 23 2.2.2. Xác định bề rộng tường tường răng 24 2.2.3. Tính lưu lượng thấm: 26 2.2.4. Xác định đường bão hòa 27 2.3. Tính toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn 30 2.3.1. Cơ sở của phương pháp [3] 30 2.3.2. Lựa chọn phần mềm tính toán 39 2.4. Kết luận Chương 2 40 CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA TƯỜNG RĂNG CẮT QUA TẦNG THẤM MẠNH Ở NỀN ĐẬP ĐẤT 42 3.1. Giới hạn các đại lượng nghiên cứu 42 3.2. Tính thấm cho trường hợp điển hình 42 3.2.1. Mô hình tính toán. 42 3.2.2. Phân tích lựa chọn phương pháp tính toán 43 3.3. Xác định bề rộng hợp lý của tường răng khi các số liệu đầu vào thay đổi 43 3.3.1. Trình tự tính toán xác định bề rộng hợp lý của tường răng. 43 3.3.2. Các kết quả tính toán. 44 3.3.3. Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố đến chiều rộng yêu cầu của tường răng:67 3.4. Kết luận chương 3: 68 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO ĐẬP THƯỢNG TRÍ 70 4.1. Giới thiệu công trình. 70 4.2. Các kích thước cơ bản của đập: 70 4.3. Xác định các thông số của tường răng 71 4.3.1. Xác định vị trí hợp lý của tường răng: 71 4.3.2. Xác định bề rộng tường răng 71 4.4. Tính toán thấm với bề rộng tường răng đã chọn. 72 4.4.1. Tính theo phương pháp thuỷ lực: 72 4.4.2. Tính theo phương pháp số: 74 4.4.3. Nhận xét kết quả tính toán: 75 4.5. Những vấn đề cần chú ý trong thi công tường răng: 75 4.6. Kết luận chương 4 76 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các đập đất có chiều cao lớn trên thế giới 4 Bảng 1.2: Một số đập đất lớn tại Việt Nam 6 Bảng 3.1: Trị số  ứng với loại đất và cấp công trình[10] 43 Bảng 3.2: Bảng tính ứng với trường hợp T=4,5m; k d = 5.10 -5 (cm/s) 44 Bảng 3.3: Bảng tính ứng với trường hợp T=4,5m; k d = 1.10 -4 (cm/s) 45 Bảng 3.4: Bảng tính ứng với trường hợp T=4,5m; k d = 1.10 -5 (cm/s) 46 Bảng 3.5: Kết quả tính thủy lực khi chiều cao đập thay đổi. 48 Bảng 3.6: Kết quả tính toán xác định chiều rộng đáy tường răng = . 30T 48 Bảng 3.7: Trường hợp 1: k d = 5.10 -5 (cm/s); knkd = 100 49 Bảng 3.8: Trường hợp 2: k d = 5.10 -5 (cm/s); knkd = 80: 50 Bảng 3.9: Trường hợp 3: k d = 5.10 -5 (cm/s); knkd = 60: 51 Bảng 3.10: Trường hợp 4: k d = 5.10 -5 (cm/s); knkd = 40: 52 Bảng 3.11: Trường hợp 5: k d = 5.10 -5 (cm/s); knkd = 30: 53 Bảng 3.12: Trường hợp 6: k d = 5.10 -5 (cm/s); knkd = 20: 54 Bảng 3.13: Trường hợp 7: T = 3,5m; k d = 5.10 -5 (cm/s); = 18; 17: 55 Bảng 3.14: Trường hợp 8: T=3,5; 4,5(m); k d = 5.10 -5 (cm/s); knkd = 16: 56 Bảng 3.15: Trường hợp 9: k d = 5.10 -5 (cm/s); knkd = 15: 57 Bảng 3.16: Trường hợp 10: k d = 5.10 -5 (cm/s); knkd = 14: 58 Bảng 3.17: Trường hợp 11: k d = 5.10 -5 (cm/s); knkd = 13: 59 Bảng 3.18: Trường hợp 12: k d = 5.10 -5 (cm/s); knkd = 12: 60 Bảng 3.19: Trường hợp 13: k d = 5.10 -5 (cm/s); knkd = 11: 61 Bảng 3.20: Trường hợp 14: k d = 5.10 -5 (cm/s); knkd = 10: 62 Bảng 3.21: Trường hợp 15: k d = 5.10 -5 (cm/s); knkd = 9: 63 Bảng 3.22: Trường hợp 16: k d = 5.10 -5 (cm/s); knkd = 8: 64 Bảng 3.23: Trường hợp 17: k d = 5.10 -5 (cm/s); knkd = 7: 65 Bảng 4.1: Bảng tính giá trị chiều rộng đáy tường răng 71 Bảng 4.2: Bảng tính lưu lượng thấm đập Thượng Trí theo phương pháp thuỷ lực 72 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Đập đất đồng chất 8 Hình 1.2: Sơ đồ bố trí đất đắp trong thân đập 8 Hình 1.3: Đập có tường lõi mềm 9 Hình 1.4: Đập có tường nghiêng mềm (đất sét) 10 Hình 1.5: Đập đất đồng chất có chân răng 11 Hình 1.6: Đập đất có tường nghiêng sân phủ mềm 12 Hình 1.7: Đập đất có tường nghiêng chân răng mềm. 13 Hình 1.8: Đập đất có màng chống thấm bằng khoan phụt vữa xi măng - bentonite 13 Hình 1.9: Đập có tường chống thấm bằng cừ thép 14 Hình 1.10: Đập có tường lõi kết hợp cừ (thép hoặc bê tông) 15 Hình 1.11: Đập có tường nghiêng kết hợp cừ chống thấm 15 Hình 2.1: Sơ đồ tính toán đập đồng chất xây trên nền thấm nước mạnh 24 Hình 2.2: Biểu đồ xác định trị số 30T 25 Hình 2.3: Sơ đồ xác định vị trí đường bão hòa 28 Hình 2.4: Đồ thị xác định vị trí điểm B[9] 29 Hình 2.5: Sơ đồ điều kiện biên tính toán thấm qua đập đất. 32 Hình 2.6: Phần tử tam giác phẳng. 33 Hình 3.1: Sơ đồ tính điển hình 42 Hình 3.2: Sơ đồ tính trường hợp H đ = 25m. 47 Hình 3.3: Sơ đồ tính trường hợp H đ = 20m. 47 Hình 3.4: Sơ đồ tính trường hợp H đ = 18m. 48 Hình 3.5: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  khi H đ thay đổi 49 Hình 3.6: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 1 50 Hình 3.7: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 2 51 Hình 3.8: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 3 52 Hình 3.9: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 4 53 Hình 3.10: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 5 54 Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 6 55 Hình 3.12: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 7 56 Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 8 57 Hình 3.14: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 9 58 Hình 3.15: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 10 59 Hình 3.16: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 11 60 Hình 3.17: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 12 61 Hình 3.18: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 13 62 Hình 3.19: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 14 63 Hình 3.20: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 15 64 Hình 3.21: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 16 65 Hình 3.22: Biểu đồ quan hệ Gradient thấm và  trường hợp 17 66 Hình 3.23: Biểu đồ quan hệ  = , 30T 67 Hình 4.1: Mặt cắt cơ bản đập Thượng Trí 70 Hình 4.2: Đường bão hoà đập Thượng Trí 74 Hình 4.3: Mô hình hóa đập Thượng Trí 74 Hình 4.4: Kết quả tính Gradient 75 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Qua quá trình thi công, vận hành sử dụng các công trình dâng nước thì các ưu điểm của đập đất như: tận dụng được các loại đất hiện có ở vùng xây dựng, có cấu tạo đơn giản, vững chắc, có khả năng thi công cơ giới hóa cao, do đó đập đất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các nước trên thế giới. Đối với nước ta, đập đất là công trình dâng nước phổ biến nhất khi xây dựng hồ chứa. Do đặc điểm về địa hình, địa chất, vật liệu xây dựng, phương tiện thi công… của nước ta, trong tương lai đập đất còn có triển vọng phát triển hơn nữa. Tuy nhiên đập đất cũng chứa đựng nhiều rủi ro, dễ xảy ra sự cố mất an toàn cho đập nếu công tác thiết kế và thi công không đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật trong xử lý nền móng, chọn kết cấu đập, hay đầm nén không đảm bảo độ chặt và độ đồng đều của từng lớp đất đắp. Do đập đất là công trình dâng nước và làm bằng vật liệu xốp lại chịu tác dụng của cột nước, khi có chênh lệch cột nước sẽ hình thành dòng thấm xuyên qua thân đập và nền, nếu không kiểm soát được dòng thấm có thể gây ra hư hỏng, mất nước và ảnh hưởng tới ổn định chung của toàn bộ hệ thống. Vì vậy trong thiết kế và xây dựng đập đất vấn đề nghiên cứu, đánh giá những đặc trưng cơ bản của dòng thấm là một khâu quan trọng và không thể thiếu được. Luận văn đề cập vấn đề thấm qua đập đất xây trên nền thấm mạnh và biện pháp phòng chống thấm bằng tường răng có hệ số thấm bằng hệ số thấm đất đắp đập. Đây là đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao vì nó liên quan trực tiếp tới tính kinh tế và hiệu quả của toàn bộ hệ thống, đồng thời đây cũng là vấn đề cấp thiết trong ngành thủy lợi hiện nay. 2 2. Mục đích đề tài Đề tài nghiên cứu các trường hợp tính toán phòng chống thấm cho đập đồng chất, có biện pháp phòng thấm bằng tường răng được đắp bằng chính vật liệu thân đập. Căn cứ vào chiều cao đập, chiều dày tầng thấm, hệ số thấm của vật liệu đắp đập để xác định vị trí, kích thước của chân răng sao cho hợp lý nhất về phương diện phòng thấm. Đồng thời đánh giá được ảnh hưởng chiều sâu tầng thấm, hệ số thấm đến kết cấu tường răng, đảm bảo an toàn chống thấm. 3. Phương án nghiên cứu của đề tài: − Thu thập, nghiên cứu các phương pháp tính thấm qua đập đất có chân răng cắt qua tầng thấm mạnh đã có, chọn phương pháp tính toán hợp lý; − Mô hình hoá, tính toán xác định chiều rộng của chân răng hợp lý khi số liệu đầu vào thay đổi; − Ứng dụng phương pháp tính toán đã chọn, tiến hành tính toán kích thước hợp lý của chân khay ở đập Thượng Trí. 4. Kết quả đạt được: Nghiên cứu bài toán phòng thấm qua đập đất, xây trên nền thấm mạnh có tường răng với hệ số thấm bằng hệ số thấm đất đắp đập. Kết quả tính toán theo phương pháp thuỷ lực ( Nguyễn Xuân Trường) và phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Seep/w) cho thấy có sự khác nhau về chiều rộng hợp lý của đáy tường răng khi chiều dày tầng thấm T và tỷ số     thay đổi. Kiến nghị lấy theo kết quả của phương pháp phần tử hữu hạn với độ chính xác cao hơn, từ đó đưa ra hệ số hiệu chỉnh  khi xác định bề rộng đáy tường răng theo phương pháp thuỷ lực ( Hình 3.23:). Ứng dụng cho đập Thượng Trí, đã xác định được vị trí, chiều rộng đáy hợp lý của tường răng. Ngoài ra cũng xác nhận các kết quả tính toán lưu [...]... gii bi toỏn thm qua p v nn 22 CHNG 2: PHNG PHP GII BI TON THM QUA P T Cể TNG RNG CT QUA TNG THM MNH 2.1 Tng quỏt 2.1.1 Cỏc iu kin v s b trớ p ng cht cú tng tng rng 2.1.1.1 iu kin t p p cú h s khụng ln cú th p p ng cht t nn thm mnh (h s thm ca t nn ln hn h s thm ca thõn p) Chiu dy tng thm mnh khụng ln 2.1.1.2 S b trớ ph thuc vo kh nng n nh ca mỏi, thụng thng m > 1,0 ữ 1,5 o ct qua ton b chiu... k v xõy dng p t vn nghiờn cu, ỏnh giỏ nhng c trng c bn ca dũng thm l rt quan trng 16 Nhng hiu bit u tiờn v s vn ng ca nc di t phỏt sinh vo th k 18 v liờn quan n tờn tui ca cỏc nh khoa hc nh M.V.Lomonoxov, Daniel Bernoulli, Euler Trong tỏc phm ni ting v cỏc lp ca v trỏi t 1750 Lomonoxov ó vit: Nc di t liờn h cht ch vi t ỏ võy quanh Nc di t l dung dch t nhiờn trng thỏi tun hon liờn tc Chớnh ụng ó... huyn Cam Ranh, tnh Khỏnh Hũa 18 1.4.1.2 Kt cu p: + Thõn p: l loi p ng cht bng t p + Nn p Phn lũng sụng: o chõn khay qua lp bi tớch n mt ỏ phong húa vi chiu rng ỏy B = 12m, dc mỏi o l ẳ Khụng x lý phn ỏ phong húa v nt n Phn 2 vai p: Ch búc lp t hu c, khụng cú chõn khay, khụng x lý ỏ phong húa v ỏ nt n Thit b tiờu nc: kiu m tiờu nc tri di chõn p phớa h lu kt hp ỏp mỏi chõn mỏi h lu p 1.4.1.3 S... tớnh toỏn: 21 ng bóo hũa i ra mỏi h lu, gõy t mỏi, xúi 1.4.4 Thm mnh qua nn: Gõy mt nc h, xúi ngm trong nn dn n st thõn p 1.5 Gii hn phm vi nghiờn cu Tựy theo iu kin c th v iu kin t nn v t p p, cú rt nhiu s chng thm cho p v nn khỏc nhau Trong lun vn ny, gii hn nghiờn cu s p ng cht trờn nn thm mnh, x lý chng thm cho nn bng tng rng ct qua tng thm mnh v p bng chớnh vt liu thõn p Vn ny ó c tỏc gi Nguyn... tng nghiờng kt hp c chng thm 1.3 Tỡnh hỡnh nghiờn cu v thm p t v nn Lý thuyt v s chuyn ng ca cht lng (nc, du la, hi, ) trong t, trong ỏ nt n hoc trong mụi trng xp núi chung gi l lý thuyt thm Thm cú ý ngha rt ln trong vic xõy dng v khai thỏc nhng cụng trỡnh thy li núi chung v riờng i vi p t thm li cng cú ý ngha c bit S xut hin dũng thm qua p t gõy nờn nhng tỏc hi nhiu lỳc rt ln v mt tn tht lu lng cng... Chiu rng ỏy tng rng: chiu rng hp lý ca tng rng cn m bo chiu rng ú khụng sinh ra xúi ngm tng rng di tỏc dng ca Gradient thm 2.1.2 Cỏc yờu cu tớnh toỏn thm cho bi toỏn p cú tng tng rng Hn ch lu lng thm H thp ng bóo hũa Gim Gradient thm trong thõn p v nn p, m quan trng nht l 2 khu vc: + Phn thõn p phớa trc tng rng + Phn ỏy tng rng 2.1.3 Cỏc phng phỏp gii bi toỏn thm qua p cú tng tng rng Trong phm vi... bng thớ nghim v tớnh bng phng phỏp thy lc Theo Nguyn Xuõn Trng thỡ chiu rng hp lý ca tng rng thc cht l xỏc nh chiu rng tng rng m vi chiu rng ú khụng sinh ra xúi ngm tng rng di tỏc dng ca Gradient thm Gradient thm ln nht qua tng rng l Gradient ti mt ct bộ nht, mt ct ỏy tng rng Do ú, trong thit k xỏc nh chiu rng [ ] hp lý ca tng rng cn tha món iu kin: Trong ú: : Gradient thm ln nht ti mt ct nh nht... sõu vo thõn p 19 1.4.1.4 Nguyờn nhõn[5]: S c p Sui Hnh cú nhiu nguyờn nhõn nh cụng tỏc kho sỏt a cht cụng trỡnh s si i vi t p p v nn; do l ln t ngt, cht lng thi cụng v qun lý cụng trỡnh cha tt Trong ú cú nguyờn nhõn do khụng x lý nn p, cỏc k nt nn p khụng c bt kớn, c bit l cỏc k nt ln ti 3 4cm tr thnh cỏc dũng chy ngm trong nn p t thng lu thụng v h lu khi h cha tớch nc Phn t ỏy p tip xỳc vi cỏc... ngi ta xõy dng mt chõn rng ct qua nn cm sõu vo tng khụng thm MNDBT MNC cm sõu ca chõn rng vo tng khụng thm > 0,5ữ1,25m Hỡnh 1.7: p t cú tng nghiờng chõn rng mm 1.2.8 p cú mng chng thm nn bng khoan pht va xi mng bentonie: Trng hp t nn l lp bi tớch dy hn 10m, phớa di l ỏ phong húa nt n mnh, hoc trong lp bi tớch cú ln ỏ ln, ỏ tng ln khụng th úng c chng thm c thỡ bin phỏp x lý tt nht l khoan pht va Khoan...3 lng thm v ng bóo ho khụng sai khỏc nhiu gia phng phỏp phn t hu hn v phng phỏp thu lc 4 CHNG 1: TNG QUAN NGHIấN CU THM QUA P T V NN 1.1 Tỡnh hỡnh xõy dng p t trờn th gii v Vit Nam p t l mt loi p xõy dng bng cỏc loi t hin cú vựng xõy dng nh: sột, ỏ sột, ỏ cỏt, cỏt, si, cui p t cú cu to n gin, vng chc, cú kh . LỜI CẢM ƠN Luận văn “Nghiên cứu kích thước hợp lý của chân răng cắt qua tầng thấm mạnh ở nền đập đất được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy Lợi. Tác giả. nghiên cứu về thấm ở đập đất và nền 15 1.4. Các trường hợp mất an toàn về thấm ở đập và nền 17 1.4.1. Hình thành các hang thấm, ống thấm trong thân đập và nền: trường hợp sự cố ở đập Suối Hành[5]. 2.3.1. Cơ sở của phương pháp [3] 30 2.3.2. Lựa chọn phần mềm tính toán 39 2.4. Kết luận Chương 2 40 CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA TƯỜNG RĂNG CẮT QUA TẦNG THẤM MẠNH Ở NỀN ĐẬP ĐẤT 42