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

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.. M ục đích đề tài Đề tài nghiên cứ

L ỜI 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

Ph ạm Minh Tiến

L ỜI 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

Ph ạm Minh Tiến

M ỤC LỤC

CHƯƠNG 1: T ỔNG QUAN NGHIÊN CỨU THẤM QUA ĐẬP ĐẤT VÀ NỀN 4

1.1 Tình hình xây d ựng đập đất trên thế giới và ở Việt Nam 4

1.2 Các gi ải 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 c ứu 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 th ấm, 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 Th ấm dị hướng, đường bão hào dâng cao hơn so với tính toán: 20

1.4.4 Thấm mạnh qua nền: 21

1.5 Gi ới 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 T ổng 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 th ấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn 30

2.3.1 Cơ sở của phương pháp [3] 30

2.3.2 L ựa chọn phần mềm tính toán 39

2.4 K ết luận Chương 2 40

CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA TƯỜNG RĂNG CẮT QUA T ẦNG THẤM MẠNH Ở NỀN ĐẬP ĐẤT 42

3.1 Gi ới hạn các đại lượng nghiên cứu 42

3.2 Tính th ấm 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 k ết 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 K ết luận chương 3: 68

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CHO ĐẬP THƯỢNG TRÍ 70

4.1 Gi ới 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 th ấm 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 Nh ững vấn đề cần chú ý trong thi công tường răng: 75

4.6 K ết luận chương 4 76

DANH M ỤC BẢNG BIỂU

B ảng 1.1: Các đập đất có chiều cao lớn trên thế giới 4

B ảng 1.2: M ột số đập đất lớn tại Việt Nam 6

Bảng 3.1: Tr ị số 𝐽𝐶𝐷 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

B ảng 3.3: B ảng tính ứng với trường hợp T=4,5m; k d = 1.10-4 (cm/s) 45

B ảng 3.4: B ảng tính ứng với trường hợp T=4,5m; k d = 1.10-5 (cm/s) 46

B ảng 3.5: K ết quả tính thủy lực khi chiều cao đập thay đổi 48

B ảng 3.6: K ết quả tính toán xác định chiều rộng đáy tường răng 𝑙′ = 𝜂𝜂 𝑙 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

B ảng 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

B ảng 3.11: Trường hợp 5: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 30: 53

B ảng 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); 𝑘𝑛𝑘𝑑= 18; 17: 55

B ảng 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

B ảng 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

B ảng 3.18: Trường hợp 12: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 12: 60

B ảng 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

B ảng 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

B ảng 3.23: Trường hợp 17: k d = 5.10-5 (cm/s); knkd = 7: 65

B ảng 4.1: B ảng 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 M ỤC 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: Bi ểu đồ xác định trị số 𝛼 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: Ph ần 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: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 khi H đ thay đổi 49

Hình 3.6: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 1 50

Hình 3.7: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 2 51

Hình 3.8: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 3 52

Hình 3.9: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 4 53

Hình 3.10: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 5 54

Hình 3.11: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 6 55

Hình 3.12: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 7 56

Hình 3.13: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 8 57

Hình 3.14: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 9 58

Hình 3.15: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 10 59

Hình 3.16: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 11 60

Hình 3.17: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 12 61

Hình 3.18: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 13 62

Hình 3.19: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 14 63

Hình 3.20: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 15 64

Hình 3.21: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 16 65

Hình 3.22: Bi ểu đồ quan hệ Gradient thấm và 𝜂𝜂 trường hợp 17 66

Hình 3.23: Bi ểu đồ quan hệ 𝜂𝜂 = 𝑓𝑘𝑛𝑘𝑑, 𝑇 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: K ết quả tính Gradient 75

M Ở ĐẦU

1 Tính c ấp 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 M ục 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 K ết 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 𝑘𝑛

𝑘𝑑 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 𝜂𝜂 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

lượng thấm và đường bão hoà không sai khác nhiều giữa phương pháp phần

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU THẤM QUA ĐẬP ĐẤT

VÀ NỀN 1.1 Tình hình xâ y dựng đập đất trên thế giới và ở Việt Nam

Đập đất là một loại đập xây dựng bằng các loại đất hiện có ở vùng xây dựng như: sét, á sét, á cát, cát, sỏi, cuội… Đập đất có cấu tạo đơn giản, vững

chắc, có khả năng cơ giới hóa cao khi thi công và trong đa số các trường hợp

có giá thành hạ nên loại đập này được ứng dụng rộng rãi nhất ở hầu hết các nước trên thế giới

Từ mấy nghìn năm trước công nguyên, đập đất đã được xây dựng nhiều

ở Ai Cập, Ấn Độ, Trung Quốc và các nước Trung Á của Liên Xô với mục đích dâng và giữ nước để tưới hoặc phòng lũ Về sau đập đất càng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thủy lợi nhằm lợi dụng tổng hợp tài nguyên dòng 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 cao khoảng 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, địa

chất thủy văn và địa chất công trình v.v… cũng như việc ứng dụng rộng rãi cơ

giới hóa và thủy cơ hóa trong thi công cho nên đập đất càng có xu hướng phát triển mạnh mẽ Cho đến nay các nước đã xây dựng hàng nghìn đập đất Riêng Nhật Bản có 1281 đập đất cao hơn 15m; trong đó có trên 70 đập cao hơn 75m.Một số đập đất lớn trên thế giới.[12] [9]

Bảng 1.1: Các đập đất có chiều cao lớn trên thế giới

(m)

2 Bennett Dam Canada 186

Syncrude Tailings Dam Mildred

Mildred Lake Settling Basin (MLSB)

Syncrude Tailings Dam Mildred

South West Sand Storage (SWSS)

Đập đất đắp cao nhất hiện nay là đập Oroville (Mỹ) cao 224m Trong

những năm gần đây, trên phạm vi thế giới đang có xu hướng xây dựng nhiều đập đất cao Ở Mỹ, tính từ năm 1963 trở lại đây thì đập bằng vật liệu địa

phương, trong đó chủ yếu là đập đất chiếm 75% trong toàn bộ các đập đã xây dựng

Tại Việt Nam:

Với ưu điểm nổi bật của đập đất là kinh tế, dễ dàng trong thi công và

vật liệu sẵn có nên đập vật liệu địa phương là loại đập phổ biến nhất khi xây dựng hồ chứa ở Việt Nam Đập đất đã được áp dụng cho nhiều công trình cụ thể như: Cấm Sơn, Yên Lập, Núi Cốc, Kẻ Gỗ, Phú Ninh, Dầu Tiếng… Dưới đây là một số đập vật liệu địa phương tại Việt Nam.[13]

Bảng 1.2: Một số đập đất lớn tại Việt Nam

11 Pa Khoang 26 1978

Đập chiếm một vị trí quan trọng trong cụm công trình đầu mối của các

hồ chứa hoặc các công trình dâng nước Để xây dựng các đập trên sông, suối người ta sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau, trong đó dùng đất để đắp đập khá phổ biến Các loại vật liệu đất có sẵn ở địa phương từ các sản phẩm của bồi tích, sườn tích hoặc phong hóa, như: á sét, sét, á cát, cuội, sỏi, … đều có thể dùng cho việc đắp đập Những ưu điểm của đập đất chúng ta đều đã biết, tuy nhiên trong một số trường hợp đập đất vẫn còn một số tồn tại như:

− Do đập đất có khối lớn nên diện tích chiếm đất vĩnh viễn và chiếm đất tạm thời lớn, ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và môi trường xã hội;

− Ở những sông suối có sự chênh lệch mực nước giữa các mùa lớn, khi xây dựng đập đấp sẽ không kinh tế do chiều cao đập lớn, công trình tràn lớn;

− Ảnh hưởng do mực nước công trình rút nhanh đến khả năng ổn định

mặt xây dựng chưa tốt, thường bị xói trong mùa mưa bão, một số đập đã xẩy

ra sự cố thiệt hại đáng kể về kinh tế xã hội ở vùng hạ lưu công trình

1.2 Các giải pháp chống thấm cho đập và nền

Đối với kết cấu đập đồng chất

1.2.1.

Hình 1.1: Đập đất đồng chất Khi đập đồng chất đắp bằng đất có hệ số thấm lớn, để đảm bảo được ổn định thấm, biện pháp thường dùng để đảm bảo ổn định thấm là tăng kích thước mặt cắt đập và khối lượng đất đắp

Đối với đập không đồng chất:

1.2.2.

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 loại đất nhằm khắc phục các mặt bất lợi và phát huy được các mặt lợi của chúng

để phòng tránh sự cố do đất gây ra

Hình 1.2: Sơ đồ bố trí đất đắp trong thân đập

I: Vùng thường xuyên bão hòa

MNC

II: Vùng bị bão hòa từng thời kỳ

III: Vùng khô ướt thay đổi trong năm (A): Khối lăng trụ thượng lưu

(B): Khối trung tâm (C): Khối lăng trụ hạ lưu 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 kiện

phải có biện pháp cách ly nước thấm và tiêu thoát nước mưa tốt;

Đất bị trương nở tự do mạnh, hệ số thấm K>10-4 cm/s không được bố trí tại các vùng A, B, III, có thể bố trí ở vùng C nhưng phải có biện pháp hạ thấp đường bão hòa và cách ly, tiêu thoát nước mưa tốt

Đập có tường lõi mềm:

1.2.3.

Trong trường hợp khối trung tâm vùng B bằng đất sét hoặc đất á sét, hệ

số thấm nhỏ thì khối này trở thành tường lõi mềm

Hình 1.3: Đập có tường lõi mềm Yêu cầu chủ yếu đối với đất sét làm vật liệu chống thấm là ít thấm nước

và có tính dẻo Đồng thời đất làm tường lõi chống thấm phải đủ dẻo, dễ thích ứng với biến hình của thân đập mà không gây nứt nẻ Tính dẻo biểu thị bằng chỉ số dẻo (Wn) phải đảm bảo yêu cầu Wn>7 để dễ thi công Đất sét béo

Wn>20 là loại vật liệu không thích hợp vì có hàm lượng nước quá lớn khó thi công dễ sinh ra áp lực kè rỗng lớn làm mất ổn định mái đập

MNDBT

MNC

Theo cấu tạo bề dày tường lõi đắp bằng đất sét không nhỏ quá 0,8m, độ dày chân tường lõi không nhỏ hơn 101 cột nước, người ta dựa vào chỉ số Gradient thấm cho phép [J] để xác định bề dày của tường lõi Khi xây dựng đập trên nền thấm Độ cắm sâu tường lõi vào nền đất tốt ít thấm nước δ≥ 0,5 – 1,25m Đỉnh tường lõi cao hơn mực nước dâng bình thường Δ = 0,3 – 0,6m

Đập có tường nghiêng mềm

1.2.4.

Trong trường hợp khối lăng trụ thượng lưu (vùng A) bằng đất sét chống

thấm, khối lăng trụ thượng lưu trở thành tường nghiêng chống thấm trong thân đập

Hình 1.4: Đập có tường nghiêng mềm (đất sét) Tường nghiêng đặt ở sát mái thượng lưu đập có ưu điểm hạ thấp đường bão hòa xuống nhanh, làm cho đại bộ phận đất thân đập được khô ráo và tăng thêm tính ổn định của mái hạ lưu

Đập Đá Bàn (Khánh Hòa) và đập Núi Một (Bình Định) … thuộc loại

kết cấu này

Bề dày tường nghiêng phụ thuộc các yêu cầu cấu tạo và Gradient thủy

lực cho phép của đất đắp tường Bề dày tường nghiêng tăng từ trên xuống dưới Bề dày đỉnh tường không nhỏ hơn 0,8m, chân tường nghiêng không nhỏ hơn 101H (H: cột nước tác dụng) nhưng không nhỏ hơn 2-3m Độ vượt cao của đỉnh tường nghiêng trên MNDBT ở thượng lưu tùy theo cấp công trình δ=0,5÷0,8m Đỉnh tường không được thấp hơn mực nước tĩnh gia cường

MNDBT

MNC

Trên mặt tường nghiêng có phủ một lớp bảo vệ đủ dày để tránh mưa nắng, sóng gió giữa tường nghiêng và lớp bảo vệ có bố trí tầng lọc ngược

Đập đất đồng chất có chân răng

1.2.5.

Hình 1.5: Đập đất đồng chất có chân răng Khi có đủ đất đắp với hệ số thấm không lớn thì có thể đắp đập đồng chất Nhưng nếu nền là các lớp trầm tích có hệ số lớn, với chiều dày tầng thấm không lớn (T< 6 ÷ 7 m) thì có thể làm chân răng ngang toàn bộ tầng

thấm Vật liệu làm chân răng được sử dụng bằng chính đất đắp đập Khi đó

kết cấu đập là loại đập đồng chất có chân răng

Đập đất có tường nghiêng và sân phủ phía trước mềm

1.2.6.

Khi đắp đập có tường nghiêng trên nền có lớp đất thấm mạnh có chiều dày lớn, người ta thường xây dựng thêm 1 sân phủ phía trước chống thấm

bằng cùng một loại đất với tường nghiêng nối liền với nhau

Sân trước có tác dụng nhiều mặt nhưng chủ yếu là tăng chiều dài đường viền không thấm để giảm áp lực thấm và lưu lượng thấm qua nền

Kết cấu và kích thước sân phủ trước phải thỏa mãn yêu cầu cơ bản sau:

ít thấm nước, có tính mềm dẻo dễ thích ứng với biến hình của nền

Chiều dài sân trước được xác định theo các yêu cầu kinh tế và kỹ thuật

phụ thuộc nhiều yếu tố như: chênh lệch mực nước thượng hạ lưu đập, chiều dài sân phủ thường lấy theo kinh nghiệm

MNDBT

MNC

L = (3÷5)H (1-1)Trong đó: H: chênh lệch cột nước thượng hạ lưu đập

Chiều dài tối đa của sân trước có thể tính theo công thức của Ughintrut

𝐿𝑚𝑎𝑥 = 2 �𝑘𝑘

Trong đó: k, kn ền: hệ số thấm của vật liệu làm sân trước và nền

ttb: chiều dày trung bình của sân trước

T: bề dày tầng thấm nước trong nền

Hình 1.6: Đập đất có tường nghiêng sân phủ mềm

Bề dày sân trước t được xác định theo công thức:

MNDBT

MNC

Đập đất có tường nghiêng và chân răng mềm:

1.2.7.

Trường hợp tường nghiêng trên nền có lớp đất thấm mạnh và tầng không thấm nằm không sâu, người ta xây dựng một chân răng cắt qua nền cắm sâu vào tầng không thấm

Hình 1.7: Đập đất có tường nghiêng chân răng mềm

Độ cắm sâu của chân răng vào tầng không thấm 𝛿> 0,5÷1,25m

Đập có màng chống thấm ở nền bằng khoan phụt vữa xi măng –

1.2.8.

bentonie:

Trường hợp đất nền là lớp bồi tích dày hơn 10m, phía dưới là đá phong hóa nứt nẻ mạnh, hoặc trong lớp bồi tích có lẫn đá lăn, đá tảng lớn không thể đóng 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 màng chống thấm trong thân đập và nền đập Kết cấu này thi công thuận lợi có hiệu quả trước mắt, nhưng độ bền và tuổi thọ không cao

Hình 1.8: Đập đất có màng chống thấm bằng khoan phụt vữa xi măng - bentonite

Đập có tường chống thấm cứng:

1.2.9.

Ở những vị trí đắp đập không có vật liệu chống thấm bằng đất sét, phải chuyên chở xa quá đắt, cần thiết phải xem xét giải pháp tường chống thấm cứng như: gỗ, đá xây, bê tông, cừ bê tông cốt thép, cừ thép, …

Loại đập đất có tường nghiêng chống thấm cứng (như bê tông, BTCT)

ít được dùng vì: cấu tạo phức tạp, dễ sinh nứt nẻ khi nhiệt độ thay đổi hoặc thân đập lún, giá thành cao

− Tường cừ chống thấm bằng bê tông cốt thép phải đảm bảo: bề dày ở đỉnh tường không nhỏ hơn 0,3 ÷0,5m, chiều dày đáy tường bằng khoảng�121 ÷151� 𝐻

Để hạn chế nứt gẫy tường lõi BTCT, cần bố trí những khe lún thẳng đứng cách nhau 15÷25m và gia cố thêm một lớp đất sét chống thấm ở mặt trước của tường lõi

− Tường chống thấm bằng cừ thép:

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 T<12m ( là chiều dày

cừ thép có thể đạt được) giải pháp đơn giản nhất là dùng cừ thép đóng trực

tiếp thay cho chân khay

Hình 1.9: Đập có tường chống thấm bằng cừ thép

MNDBT

MNC

Trường hợp lớp bồi tích dày hơn 12m, cừ thép được đóng theo sơ đồ: Tường nghiêng, tường lõi kết hợp cừ chống thấm

Hình 1.10: Đập có tường lõi kết hợp cừ (thép hoặc bê tông)

Hình 1.11: Đập có tường nghiêng kết hợp cừ chống thấm

1.3 Tình hình nghiên cứu về thấm ở đập đất và nền

Lý thuyết về sự chuyển động của chất lỏng (nước, dầu lửa, hơi, …) trong đất, trong đá nứt nẻ hoặc trong môi trường xốp nói chung gọi là lý thuyết thấm Thấm có ý nghĩa rất lớn trong việc xây dựng và khai thác những công trình thủy lợi nói chung và riêng đối với đập đất thấm lại càng có ý nghĩa đặc biệt Sự xuất hiện dòng thấm qua đập đất gây nên những tác hại nhiều lúc rất lớn về mặt tổn thất lưu lượng cũng như về tính bền vững của công trình Do đó, trong thiết kế và xây dựng đập đất vấn đề nghiên cứu, đánh giá những đặc trưng cơ bản của dòng thấm là rất quan trọng

MNDBT

MNC

MNDBT

MNC

Những hiểu biết đầu tiên về sự vận động của nước dưới đất phát sinh vào thế kỷ 18 và liên quan đến tên tuổi của các nhà khoa học như M.V.Lomonoxov, Daniel Bernoulli, Euler Trong tác phẩm nổi tiếng “về các

lớp của vỏ trái đất” – 1750 Lomonoxov đã viết: “Nước dưới đất liên hệ chặt

chẽ với đất đá vây quanh Nước dưới đất là dung dịch tự nhiên ở trạng thái tuần hoàn liên tục” Chính ông đã đặt cơ sở đầu tiên để phát triển khoa học về

sự vân động của nước dưới đất

Trên cơ sở thực nghiệm, năm 1856 nhà bác học Pháp H.Darcy đã tìm ra quy luật chuyển động của nước trong đất cát Định luật Darcy được gọi là định luật cơ bản của dòng thấm và biểu thị dưới dạng:

chảy tầng và tổn thất cột nước trong dòng thấm tỷ lệ bậc nhất với vận tốc thấm

Đối với môi trường hạt lớn, lỗ rỗng lớn, định luật Darcy đã có những sai lệch đáng kể và không còn thích hợp nữa Trong trường hợp này lưu tốc

thấm khá lớn và sự chuyển động của chất lỏng là chảy rối Như vậy thấm

trong môi trường hạt lớn là thấm phi tuyến Trong luận văn này chỉ xem xét bài toán thấm chảy tầng, tức tuân theo Định luật Darcy (1-4)

− Phương pháp thí nghiệm trên mô hình khe hẹp Hele – Shaw;

− Phương pháp thí nghiệm tương tự điện thủy động

• Phương pháp vẽ lưới thấm: bằng cách vẽ lưới thấm còn gọi là lưới thủy động lực học, sẽ tính được tất cả các thông số của bài toán thấm có áp ổn định

• Phương pháp mô hình số: đây là phương pháp giải gần đúng phương trình vi phân:

− Phương pháp sai phân;

− Phần 2 vai đập: Chỉ bóc lớp đất hữu cơ, không có chân khay, không

− Vào lúc 15h ngày 02/12/1986 trong khi nước hồ đang dâng lên, phát hiện ra 2 vết nứt ngang đập thẳng góc với tim đập và có cả vết nứt dọc đập Sau đó lại xuất hiện thêm vết nứt ngang khác trong phạm vi đập ở vùng lân cận bậc thềm suối bên cạnh cống lấy nước

− Vào lúc 2h15’ ngày 03/12/1986 đập bị vỡ 1 đoạn ở sát cống lấy nước Sau đó vỡ tiếp 1 đoạn đập ở phần lòng suối Ngoài 2 đoạn đập bị còn phát hiện thêm 3 hang ngầm ở vai phải đập có đường kính 20 – 30 cm từ mái

hạ lưu ăn sâu vào thân đập

1.4.1.4 Nguyên nhân[5]:

Sự cố đập Suối Hành có nhiều nguyên nhân như công tác khảo sát địa chất công trình sơ sài đối với đất đắp đập và nền; do lũ lớn đột ngột, chất lượng thi công và quản lý công trình chưa tốt Trong đó có nguyên nhân do không xử lý nền đập, các kẽ nứt ở nền đập không được bịt kín, đặc biệt là các

kẽ nứt lớn tới 3 – 4cm trở thành các dòng chảy ngầm trong nền đập từ thượng lưu thông về hạ lưu khi hồ chứa tích nước Phần đất ở đáy đập tiếp xúc với các kẽ nứt này sẽ bị nước xói rửa kéo trôi, nhất là đối với loại đất có tính tan

rã mãnh liệt khi bão hòa nước như đất đắp đập Suối Hành, thì quá trình xói

rửa kéo trôi đất xảy ra rất nhanh và hình thành các hành lang ngầm dẫn nước

chảy trong thân đập Các hành lang này lại thúc đẩy quá trình tan rã đất và lún ướt làm cho hành lang phát triển nhanh hơn, thúc đẩy quá trình nứt đập và góp phần gây ra sự cố công trình đập Suối Hành

Thấm mạnh ở phần tiếp giáp với công trình bê tông (tràn, cống lấy

1.4.2.2 Kết cấu đập:

Đập chính Suối Trầu được xây dựng bằng đất đồng chất

1.4.2.3 Sự cố:

Vào lúc 12h30 ngày 11/11/1977, xuất hiện một lỗ rò có nước đục chảy

ra ở hạ lưu đập bên phải tường đầu cạnh mang cống hạ lưu, cách tim cống 1,5m, ở cao trình 16,7 – 16,8 m, nằm cao hơn tường đầu 0,5m Đến 13h phát sinh thêm 1 lỗ rò phía mang bên trái cống

Đến 17h hình thành xoáy nước lớn ở cửa lỗ rò thượng lưu, cách tim cống 4 -5m về bên trái, nằm trùng với cơ đập, tức là mang cống thượng lưu; dòng chảy rất mạnh, cuốn theo tất cả những hòn đá hộc dùng để bịt và trôi về phía hạ lưu Mái đập thượng lưu bị sụt nhanh chóng

Đến 18h hình thành 2 hành lang lớn có đường kính trên 2m ở 2 bên mang cống, nước chảy bắn xa

02h ngày 12/11/1977 thì đỉnh đập bị sập xuống và đập bị vỡ

1.4.2.4 Nguyên nhân[5]:

Sự cố đập Suối Trầu có nguyên nhân của thiết kế và thi công hố móng

và phần tiếp giáp giữa cống và đập Trong thiết kế không quy định riêng về

chất lượng đất đắp mang cống, vì thế khi thi công vẫn dùng chung loại đất với các chỉ tiêu thiết kế đất đắp mang cống như đối đất đắp đập Hơn nữa ngay từ khâu thiết kế cũng đã không có biện pháp để đảm bảo chất lượng vùng tiếp giáp của cống với đập – là một trong những nơi xung yếu trong đập đất Đồng

thời chất lượng đầm đất mang cống rất kém Vì thế ngay sau khi nước hồ

chứa vượt cao hơn đỉnh tường đầu thượng lưu, nước đã luồn vào mang cống, nhanh chóng làm nhão đất đắp kém chất lượng ở mang cống, sau đó theo mang cống chảy ra hạ lưu tạo thành dòng thấm kéo theo bùn từ đất trong mang cống Lúc đầu là mang cống bên phải, sau đó là mang bên trái đều xảy

ra tình trạnh này Do dòng thấm kéo trôi hết đất tan rã trong mang cống, nên lúc đầu hình thành 2 ống ngầm ở 2 bên mang cống Các ống ngầm này phát triển rất nhanh và khi vượt khỏi đỉnh cống thì mở rộng thành một hành lang dòng chảy ngầm trong thân đập Khi đó do vận tốc nước chảy rất lớn nên càng đẩy nhanh quá trình phát triển cho đến khi vòm hành lang mất trạng thái cân bằng thì sập xuống và dẫn đến đập bị vỡ

Thấm dị hướng, đường bão hào dâng cao hơn so với tính toán:

1.4.3.

Đường bão hòa đi ra mái hạ lưu, gây ướt mái, xói

Thấm mạnh qua nền:

1.4.4.

Gây mất nước hồ, xói ngầm trong nền dẫn đến sụt thân đập

1.5 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

Tùy theo điều kiện cụ thể về điều kiện đất nền và đất đắp đập, có rất nhiều sơ đồ chống thấm cho đập và nền khác nhau Trong luận văn này, giới hạn nghiên cứu sơ đồ đập đồng chất trên nền thấm mạnh, xử lý chống thấm cho nền bằng tường răng cắt qua tầng thấm mạnh và đắp bằng chính vật liệu thân đập Vấn đề này đã được tác giả Nguyễn Xuân Trường nghiên cứu và trình bày trong [9] Tuy nhiên các kết quả đạt được là trên cơ sở các giả thiết biến đổi tương đương, có thể chỉ thích hợp trong những điều kiện nhất định Ngoài ra bề rộng tường răng theo tính toán trong [9] thường có giá trị rất lớn, khó thực hiện trong nhiều trường hợp cụ thể Vì vậy tác giả luận văn đặt mục tiêu làm rõ một số vấn đề tồn tại đã nêu, trên cơ sở áp dụng mô hình số giải bài toán thấm qua đập và nền

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN THẤM QUA ĐẬP ĐẤT CÓ TƯỜNG RĂNG CẮT QUA TẦNG THẤM MẠNH

− Đào cắt qua toàn bộ chiều dày tầng thấm mạnh ở nền Hệ số mái đào

phụ thuộc vào khả năng ổn định của mái, thông thường m > 1,0 ÷ 1,5

− Đắp lại bằng chính vật liệu thân đập

− Vị trí tường răng[9]: để đảm bảo vấn đề giảm lưu lượng, hạ đường bão hòa và giảm Gradient thấm, vị trí tường răng nằm trong đoạn giữa thân đập, 𝐵𝑥

= 0,5 ÷ 0,7 là hợp lý nhất, trong đó tường răng nằm dưới mép nước thượng lưu là tốt hơn cả Nếu vấn đề tổn thất cột nước không đóng vai trò quan trọng trong mục tiêu thiết kế thì có thể bố trí tường răng nằm trong đoạn dưới mái dốc thượng lưu bởi vì tường răng nằm trong đoạn này nhược điểm căn bản của nó là tổn thất lưu lượng lớn Trong mọi trường hợp không nên bố trí tường răng nằm dưới mái dốc hạ lưu nhất là trong đoạn 𝑥

𝐵 = 0,7 ÷ 1, bởi vì trường hợp này, Gradient thấm Jcd rất lớn và đặc biệt là đường bão hòa dâng cao có thể gây mất ổn định mái dốc hạ lưu

− Chiều rộng đáy tường răng: chiều rộng hợp lý của tường răng cần đảm

bảo chiều rộng đó không sinh ra xói ngầm tường răng dưới tác dụng của Gradient thấm

Các yêu cầu tính toán thấm cho bài toán đập có tường tường răng

2.1.2.

− Hạn chế lưu lượng thấm

− Hạ thấp đường bão hòa

− Giảm Gradient thấm trong thân đập và nền đập, mà quan trọng nhất là

2 khu vực:

+ Phần thân đập phía trước tường răng

+ Phần đáy tường răng

Các phương pháp giải bài toán thấm qua đập có tường tường răng

2.1.3.

Trong phạm vi luận văn sử dụng 2 phương pháp:

− Phương pháp biến đổi tương đương (Nguyễn Xuân Trường)

− Phương pháp mô hình số (Phương pháp phần tử hữu hạn)

2.2 Phương pháp biến đổi tương đương [9](của Nguyễn Xuân Trường)

Theo tác giả Nguyễn Xuân Trường, đập đất đồng chất có tường răng trên nền thấm nước, khi hệ số thấm của nền và hệ số thấm của thân đập khác nhau, kết quả nghiên cứu thí nghiệm cho thấy rằng những đường dòng không

đi thẳng song song nằm ngang mà bị uốn cong rất nhiều, nhất là ở đoạn có tường răng Để hạn chế khuyết điểm đó, tác giả Nguyễn Xuân Trường dùng phương pháp biến đổi đập đồng chất có tường răng trên nền thấm nước thành

một đập đồng chất trên nền thấm nước không có tường răng mà hệ số thấm

của đập và nền giống nhau

Để thuận tiện cho tính toán, mái dốc của tường răng có thể xem như thẳng đứng với chiều rộng trung bình '

l và cột đất có giá trị trung bình đó

được xem như một lõi giữa có cùng hệ số thấm với đất thân đập Để đưa về trường hợp đập và nền đồng chất (không có lõi giữa) cần biến đổi lõi giữa có

hệ số thấm bình quân thành một lõi tượng trưng có hệ số thấm bằng hệ số

thấm thân đập với chiều rộng đã quy đổi

Sơ đồ tính toán đập đồng chất xây trên nền thấm nước, sử dụng biện pháp chống thấm cho nền bằng tường răng có hệ số thấm cùng với đất đắp đập như sau:

Hình 2.1: Sơ đồ tính toán đập đồng chất xây trên nền thấm nước mạnh

Xác định bề rộng tường tường răng

2.2.2.

Nhiều tác giả đã nghiên cứu quy mô, kích thước tường răng bằng thí nghiệm và tính bằng phương pháp thủy lực Theo Nguyễn Xuân Trường thì chiều rộng hợp lý của tường răng thực chất là xác định chiều rộng tường răng

mà với chiều rộng đó không sinh ra xói ngầm tường răng dưới tác dụng của Gradient thấm Gradient thấm lớn nhất qua tường răng là Gradient tại mặt cắt

bé nhất, mặt cắt đáy tường răng Do đó, trong thiết kế xác định chiều rộng

hợp lý của tường răng cần thỏa mãn điều kiện:

Trong đó: 𝐽𝐶𝐷: Gradient thấm lớn nhất tại mặt cắt nhỏ nhất của tường răng Giá trị 𝐽𝐶𝐷 được xác định theo công thức kinh nghiệm của tác giả Nguyễn Xuân Trường:

[𝐽𝐶𝐷]: Gradient thấm cho phép tại mặt tiếp xúc CD Trị số [𝐽𝐶𝐷] vừa có

ý nghĩa là Gradient tiếp xúc cho phép vì ở đây dòng thấm đi dọc theo mặt tiếp xúc giữa hai loại vật liệu, nhưng đồng thời vừa có ý nghĩa là Gradient thấm cho phép trong môi trường đồng chất, nghĩa là Gradient thấm cho phép qua một mặt cắt ngang của tường răng

Tính lưu lượng thấm:

2.2.3.

Đầu tiên, biến đổi nền thấm nước có hệ số thấm 𝑘𝑛 và chiều dày T ra

hệ số thấm giống như thân đập Chiều dày biến đổi 𝑇𝑏𝑑 xác định theo công

Để đưa về trường hợp đập và nền đồng chất (không có lõi giữa) cần

biến đổi lõi giữa có hệ số thấm (𝑘1)𝑏𝑑 thành một lõi tượng trưng có hệ số

thấm bằng hệ số thấm thân đập với chiều rộng:

𝑙𝑏𝑑′ = 𝑙′𝐻1"

Trong đó 𝑙′: chiều rộng trung bình lõi thực

Cuối cùng ta có sơ đồ tính toán là đập và nền đồng chất Đối với trường hợp này có thể viết phương trình tính lưu lượng thấm dưới dạng:

𝑘𝑑 + 𝑎0Với a0: chiều cao hút hạ lưu

Trong thực tế, đối với trường hợp đập trên nền thấm nước, chiều cao hút nước bé nhất khi tỷ số 𝑘𝑛

𝑘𝑑 khá lớn cho nên chiều cao này có thể bỏ qua (a0

𝑘𝑑 cũng như chiều rộng thực của đáy tường răng

𝑙

𝐻 Để xác định vị trí đường bão hòa, trước hết cần xác định đường bão hòa trong đập tượng trưng – đập và nền đồng chất

Hình 2.3: Sơ đồ xác định vị trí đường bão hòa Trước tiên cần xác định trục toạ độ xOy, chính là xác định đoạn ∆𝐿

Với trường hợp này, theo tác giả Nguyễn Xuân Trường có

Từ công thức (2-8) vẽ được đường bão hòa A’BC, trong đó đoạn A’B

là đoạn đường bão hòa tượng trưng trong đập tượng trưng, còn đoạn BC là đoạn đường bão hòa thực đúng với đập thực Để có đường bão hòa thực ABC cần xác định vị trí của đoạn AB trên cơ sở A’B đã có, bằng cách dịch chuyển tương ứng các điểm theo tỷ lệ tương ứng (các đoạn thẳng có tỷ lệ không đổi)

→ đường bão hòa thực Vị trí của điểm B thay đổi theo từng trường hợp cụ thể và xác định theo Hình 2.4:

Kn Kd

Hình 2.4: Đồ thị xác định vị trí điểm B[9]

Từ đồ thị Hình 2.4: ta thấy rằng khi 0,5𝑙𝐿′′ =1, nghĩa là khi chiều rộng

của tường răng chiếm toàn bộ phần nền đập và trường hợp 𝐻1"

=0,9

0,5l' L'

H" H'11 B'

L'1

răng Đó là hai trường hợp giới hạn mút của vị trí điểm B Trong những trường hợp còn lại nghĩa là khi đập và nền có hệ số thấm khác nhau bất kỳ và chiều rộng của tường răng bất kỳ thì vị trí của điểm B nằm trong khoảng giữa

từ mép hạ lưu tường răng đến vật thoát nước và xác định theo Hình 2.4:

2.3 Tính toán thấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Cơ sở của phương pháp [3]

2.3.1.

Trong các phương pháp số, phương pháp phần tử hữu hạn được coi là phương pháp hiệu quả nhất hiện nay để giải bài toán cơ học môi trường liên tục So với các phương pháp tính bằng số khác, nó có ưu điểm nổi bật là dễ dàng lập chương trình để giải trên máy tính, thuận lợi để tự động hoá tính toán hàng loạt lớp bài toán với kích thước, hình dạng, điều kiện biên về thấm khác nhau

Phương pháp phần tử hữu hạn không tìm dạng xấp xỉ của hàm cần tìm trong toàn miền xác định mà chỉ trong từng miền con thuộc miền xác định (các phần tử) Do đó, phương pháp phần tử hữu hạn rất thích hợp với hàng loạt các bài toán vật lý và kỹ thuật, trong đó hàm cần tìm được xác định trên

những miền phức tạp, bao gồm nhiều vùng nhỏ có đặc tính khác nhau Ma

trận chủ yếu lập lên phương pháp phần tử hữu hạn sẽ là ma trận băng càng làm cho việc tính toán thêm thuận tiện Đó là lý do chính khiến phương pháp phần tử hữu hạn ngày càng được sử dụng phổ biến và chiếm ưu thế nổi bật trong các phương pháp số hiện nay

Phương trình cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán thấm phẳng là phương trình quan hệ giữa lưu lượng điểm nút và cột nước áp

lực tại điểm nút Sử dụng nguyên lý biến phân cột nước khả dĩ (tương tự nguyên lý chuyển vị khả dĩ trong cơ học kết cấu) Nội dung của nguyên lý như sau: “Trong miền kín của dòng thấm ổn định, khi biến thiên cột nước khả

dĩ thì công bù của dòng thấm trên đường vòng quanh miền kín phải bằng công

bù tương ứng trong miền đó”

Phương trình vi phân dòng thấm ổn định hai chiều phẳng áp dụng cho đập đất có dạng:

Φ = � 12

(𝜔) �𝑘𝑥�𝜕𝐻𝜕𝑥�2+ 𝑘𝑦 �𝜕𝐻𝜕𝑦�2� 𝑑𝑥𝑑𝑦 + � 𝑎 𝐻 𝑑𝑠

(𝐿)

(2-11)

Các điều kiện biên của bài toán cho như sau:

a Điều kiện Điriclee:

Trên một phần biên phía thượng lưu, cho trước giá trị cột nước 𝐻 = 𝐻1Trên một phần biên phía hạ lưu, cho trước giá trị cột nước 𝐻 = 𝐻2

Trên một phần biên trong thân đập từ mực nước thượng lưu đến mực nước hạ lưu, cho giá trị cột nước 𝐻 = 𝐻(𝑥)

b Điều kiện Neiman:

Trên phần biên khác, chưa biết giá trị của H nhưng đã biết giá trị của đạo hàm cột nước theo phương pháp tuyến:

− Trên biên EGOI:

− Trên biên BC hoặc các biên khác nếu có bổ sung nước do thấm thì điều kiện Neiman như sau:

thấm V (𝑉𝑥; 𝑉𝑦), Gradient thấm J(𝐽𝑥; 𝐽𝑦) tại các điểm trong miền thấm

H = Y(x)

H2

B

A I

O

C

x y