Nghiên cứu ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng tới ổn định đập vật liệu địa phương

MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG Ở VIỆT NAM VÀ VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG 3 1.1. TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG Ở VIỆT NAM 3 1.2. TÌNH HÌNH XÂY DỰNG ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG Ở DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG VIỆT NAM 5 1.2.1. Địa hình và địa chất 5 1.2.2. Khí hậu và thời tiết 6 1.2.3. Tình hình xây dựng đập vật liệu địa phương 6 1.3. TÌNH HÌNH MƯA LŨ Ở MIỀN TRUNG VIỆT NAM 9 1.3.1. Diễn biến của bão 9 1.3.2 Diễn biến của lũ. 11 1.3.3. Diễn biến trượt lở đất. 11 1.3.4. Ảnh hưởng của bão. 12 1.3.5. Ảnh hưởng của lũ 13 1.3.6. Ảnh hưởng của trượt lở đất 13 1.4. TÍNH CẤP THIẾT VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 14 1.4.1. Tính cấp thiết của đề tài 14 1.4.2. Nội dung nghiên cứu của đề tài 15 1.4.3. Tình hình nghiên cứu ổn định cục bộ của đập vật liệu địa phương dưới ảnh hưởng của mưa lũ 15 1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 16 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 17 2.1. SỰ HÌNH THÀNH DÒNG THẤM KHÔNG ỔN ĐỊNH TRONG THÂN ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG 17 2.2. PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA DÒNG THẤM KHÔNG ỔN ĐỊNH 17 2.2.1. Các phương pháp nghiên cứu thấm không ổn định 17 2.2.1.1. Phương pháp giải tích 17 2.2.1.2. Phương pháp thí nghiệm thấm khe hẹp 17 2.2.1.3. Phương pháp thí nghiệm tương tự điện−thủy động lực học 20 2.2.1.4. Phương pháp mô hình số 21 2.2.2. Cơ sở lý thuyết phương trình vi phân thấm không ổn định 22 2.2.3. Phương trình vi phân cơ bản của dòng thấm không ổn định cho đất bão hòa 23 2.2.4. Giải bài toán thấm theo phương pháp phần tử hữu hạn 26 2.3. TRƯỜNG ỨNG SUẤT HIỆU QUẢ, ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC NƯỚC LỖ RỖNG TỚI SỨC CHỊU TẢI CỦA CỐT ĐẤT 27 2.3.1. Đặt vấn đề 27 2.3.2. Ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng tới sức chịu tải của cốt đất 28 2.3.3. Tình hình nghiên cứu tính toán áp lực lỗ rỗng ở nước ngoài và ở Việt Nam 30 2.3.4. Các phương pháp tính áp lực kẽ rỗng 32 2.3.4.1. Phương pháp thực nghiệm (hay còn gọi là phương pháp đường cong nén ép) 32 2.3.4.2. Phương pháp lý thuyết cố kết 33 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 37 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỤC BỘ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG CÓ ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC NƯỚC LỖ RỖNG 38 3.1. NGHIÊN CỨU DÒNG THẤM KHÔNG ỔN ĐỊNH CỦA ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG THEO THỜI GIAN 38 3.1.1. Tác hại của dòng thấm không ổn định của trong vật liệu địa phương do mực nước ở thượng lưu thay đổi 38 3.1.2. Địa chất 39 3.1.3. Mặt cắt tính toán 40 3.1.4. Trường hợp tính toán 40 3.1.5. Kết quả tính toán 41 3.2. NGHIÊN CỨU TRƯỜNG ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG VÀ ỔN ĐỊNH CỤC BỘ TRONG THÂN ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC NƯỚC LỖ RỖNG 43 3.2.1. Các trạng thái nguy hiểm 43 3.2.2. Nghiên cứu trường ứng suất biến dạng trong thân đập vật liệu địa phương theo thời gian 44 3.3. NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH MÁI ĐẬP KHI XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP LỰC NƯỚC LỖ RỖNG 48 3.3.1. Nghiên cứu ổn định mái đập khi có xét đến ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng cho trường hợp 1: 48 3.3.2. Nghiên cứu ổn định mái đập khi có xét đến ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng cho trường hợp 2: 53 3.3.3. Nghiên cứu ổn định mái đập khi có xét đến ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng cho trường hợp 3: 57 3.3.4. Nghiên cứu ổn định mái đập khi có xét đến ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng cho trường hợp 4: 61 3.3.5. Nghiên cứu ổn định mái đập khi có xét đến ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng cho trường hợp 5: 66 3.4. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 70 3.4.1 Ảnh hưởng của mực nước hồ tới an toàn đập 71 3.4.2 Ảnh hưởng của tốc độ rút nước tới an toàn đập 72 3.4.3 Ảnh hưởng của độ thấm của khối đất thượng lưu đập với cùng 1 diễn biến của hồ 74 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 76 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 78 1. CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯƠC CỦA LUẬN VĂN 78 2. HƯỚNG TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU 78 THỐNG KÊ CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Tổng hợp số lượng các hồ chứa nước (đến năm 2002) 3 Bảng 1-2: Một số hồ đập lớn ở Việt Nam (Theo thứ tự chiều cao đập) 4 Bảng 1-3. Thống kê một số đập đất ở khu vực miền Trung 7 Bảng1-4. Nguồn gốc và số cơn XTNĐ (1954-2007) đổ bộ vào các tiểu vùng 10 Bảng 1-5. Đặc trưng gió cực đại ở các địa điểm đặc trưng khi bão đổ bộ (1978- 2008) 10 Bảng 2-1: So sánh tương tự giữa các thông số của dòng thấm và dòng điện 20 Bảng 3-1:Các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu 39 THỐNG KÊ CÁC HÌNH VẼ Hình 1: Hư hỏng mái đập thượng lưu do mưa lũ 15 Hình 2-1: Xác minh thực nghiệm về Định luật thấm Darcy cho dòng thấm nước qua đất không bão hòa (theo Chids và Collis−Goerge) 23 Hình 2-2: Dòng thấm đi qua phân tố đất 23 Hình 2-3: Mô hình thí nghiệm 28 Hình 2-4: Mẫu đất bão hòa nước 28 Hình 2-5: Quá trình ép nước ra ngoài của đất bão hòa nước 29 Hình 3-1: Mặt cắt tính toán 40 Hình 3-2: Áp lực nước lỗ rỗng của TH1 41 Hình 3-3: Áp lực nước lỗ rỗng của TH2 41 Hình 3-4: Áp lực nước lỗ rỗng TH3 42 Hình 3-5: Áp lực nước lỗ rỗng TH4 42 Hình 3-6: Áp lực nước lỗ rỗng TH5 42 Hình 3-7: Ứng suất hiệu quả max khi t=0.00 ngày (TH1) 44 Hình 3-8: Ứng suất hiệu quả min khi t=0.00 (TH1) 44 Hình 3-9: Ứng suất hiệu quả max khi t=0.50 ngày (TH1) 45 Hình 3-10: Ứng suất hiệu quả min khi t=0.50 ngày (TH1) 45 Hình 3-11: Ứng suất hiệu quả max khi t=1.00 ngày (TH1) 45 Hình 3-12: Ứng suất hiệu quả min khi t=1.00 ngày (TH1) 45 Hình 3-13: Ứng suất hiệu quả max khi t=1.50 ngày (TH1) 46 Hình 3-14: Ứng suất hiệu quả min khi t=1.50 ngày (TH1) 46 Hình 3-15: Ứng suất hiệu quả max khi t=2.00 ngày (TH1) 46 Hình 3-16: Ứng suất hiệu quả min khi t=2.00 ngày (TH1) 46 Hình 3-17: Ứng suất hiệu quả max khi t=2.50 ngày (TH1) 47 Hình 3-18: Ứng suất hiệu quả min khi t=2.50 ngày (TH1) 47 Hình 3-19: Ứng suất hiệu quả max khi t=3.00 ngày (TH1) 47 Hình 3-20: Ứng suất hiệu quả min khi t=3.00 ngày (TH1) 47 Hình 3-21: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=0.00 ngày) 48 Hình 3-22: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=0.25 ngày) 49 Hình 3-23: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=0.50 ngày) 49 Hình 3-24: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=0.75 ngày) 49 Hình 3-25: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=1.00 ngày) 50 Hình 3-26: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu (t=1.25 ngày) 50 Hình 3-27: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=1.50 ngày) 50 Hình 3-28: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=1.75 ngày) 51 Hình 3-29: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=2.00 ngày) 51 Hình 3-30: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=2.25 ngày) 51 Hình 3-31: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( 2.50 ngày) 52 Hình 3-32: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=2.75 ngày) 52 Hình 3-33: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=3.0 ngày) 52 Hình 3-34: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=0.00 ngày) 53 Hình 3-35: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=0.125 ngày) 53 Hình 3-36: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=0.25 ngày) 53 Hình 3-37: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=0.375 ngày) 54 Hình 3-38: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=0.50 ngày) 54 Hình 3-39: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=0.675 ngày) 54 Hình 3-40: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=0.75 ngày) 55 Hình 3-41: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=0.875 ngày) 55 Hình 3-42: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=1.0 ngày) 55 Hình 3-43: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=1.125 ngày) 56 Hình 3-44: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=1.50 ngày) 56 Hình 3-45: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=1.375 ngày) 56 Hình 3-46 : Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=1.50 ngày) 57 Hình 3-47 : Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=0.00 ngày) 57 Hình 3-48: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=0.50 ngày) 57 Hình 3-49 : Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=1.00 ngày) 58 Hình 3-50: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=1.50 ngày) 58 Hình 3-51: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=2.00 ngày) 58 Hình 3-51: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=2.50 ngày) 59 Hình 3-52: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=3.00 ngày) 59 Hình 3-53: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=3.50 ngày) 59 Hình 3-54: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=4.00 ngày) 60 Hình 3-55: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t= 4.50 ngày) 60 Hình 3-56: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu (t=5.00 ngày) 60 Hình 3-57: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=5.50 ngày) 61 Hình 3-58: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=6.00 ngày) 61 Hình 3-59: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu (t=0.00 ngày) 62 Hình 3-60: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=0.25 ngày) 62 Hình 3-61: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu (t=0.50 ngày) 62 Hình 3-62: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=0.75 ngày) 63 Hình 3-63: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=1.00 ngày) 63 Hình 3-64: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=1.25 ngày) 63 Hình 3-65: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=1.50 ngày) 64 Hình 3-66: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=1.75 ngày) 64 Hình 3-67: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=2.00 ngày) 64 Hình 3-68: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=2.25 ngày) 65 Hình 3-69: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=2.50 ngày) 65 Hình 3-70: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=2.75 ngày) 65 Hình 3-71: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu (t=2.75 ngày) 66 Hình 3-72: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu (t=0.00 ngày) 66 Hình 3-73: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu (t= 0.25 ngày) 66 Hình 3-74: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t= 0.50 ngày) 67 Hình 3-75: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t= 0.75 ngày) 67 Hình 3-76: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu (t= 1.00 ngày) 67 Hình 3-77: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu (t= 1.25 ngày) 68 Hình 3-79: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t= 1.50 ngày) 68 Hình 3-80: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t= 1.75 ngày) 68 Hình 3-81: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t=2.00 ngày) 69 Hình 3-82: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu (t= 2.25ngày) 69 Hình 3-83: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t= 2.50 ngày) 69 Hình 3-84: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t= 2.75ngày) 70 Hình 3-85: Sơ đồ kết quả tính ổn định mái thượng lưu ( t= 3.00ngày) 70 Hình 3-86: Quan hệ giữa mực nước trong hồ và hệ số ổn định 71 Hình 3-87: Quan hệ giữa mực thời gian và hệ số ổn định 71 Hình 3-88: Quan hệ giữa mực nước trong hồ và hệ số ổn định 73 Hình 3-89: Quan hệ giữa mực nước trong hồ và hệ số ổn định 73 Hình 3-90: Quan hệ giữa mực nước trong hồ và hệ số ổn định 74 Hình 3-91: Quan hệ giữa mực nước trong hồ và hệ số ổn định 75 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài. Trong quá trình xây dựng cũng như trong quá trình hồ tích nước, đập vật liệu địa phương luôn luôn chịu tải trọng thay đổi. Dưới tác dụng của tải trọng ngoài, ứng lực tại các hạt đất cũng như ứng lực tại nước trong đất cũng không ngừng thay đổi. Sự thay đổi này hoàn toàn phụ thuộc vào việc phân tán áp lực nước trong lỗ r ỗng. Khi áp lực vượt qua thấm ổn định, áp lực nước trong lỗ rỗng bắt đầu dần dần triệt tiêu. Tải trọng ngoài cũng dần dần được truyền vào các hạt đất dẫn đến đất bị nén lại tới độ ổn định. Toàn bộ quá trình này được gọi là quá trình cố kết. Mục đích của quá trình phân tích cố kết là hiểu rõ được sự biến đổi của quá trình thấm cũng như áp lực lỗ rỗng trong đập và nền có tính dính. Đồng thời cũng hiểu rõ được quá trình lún theo thời gian của đập và nền. Vấn đề này hết sức có ý nghĩa trong việc đánh giá ổn định của đập và nền. Trong điều kiện biến đổi khí hậu, tình hình diễn biến thời tiết có nhiều bất thường, bão lũ thường xuyên xảy ra vượt tần suất d ẫn đến điều kiện làm việc của các công trình Thủy lợi nói chung và đập vật liệu địa phương không tuân theo quy luật thiết kế. Hàng loạt các sự cố hư hỏng mái đê đập sau mưa lũ kéo dài cũng như những hiện tượng hư hỏng do dòng thấm phát sinh qua thân đập đã ảnh hưởng đến điều kiện an toàn làm việc của hồ. Chính từ những điều kiện này, đề tài đề xuất đi sâu nghiên cứu diễn biến dòng thấm trong thân đập khi có xét đến ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng nhằm đánh giá tính hình diễn biến của dòng thấm ổn định, thấm không ổn định trong thân đập để đánh giá ổn định cục bộ thấm, ổn định tổng thể thấm cũng như ổn định tổng thể c ủa đập vật liệu địa phương. Thông qua đó có thể đưa ra được bức tranh tổng thể về diến biến dòng thấm trong thân đập cũng như sự thay đổi của trường ứng suất hiệu quả trong đập và nền trong các điều kiện làm việc khác nhau, từ đó có những đánh giá về an toàn đập trong điều kiện biến đổi khí hậu toàn cầu. 2. Nội dung nghiên cứ u của đề tài Nghiên cứu dòng thấm không ổn định trong thân đập vật liệu địa phương dưới tác dụng của mưa lớn kéo dài ở khu vực miền trung Việt Nam. 2 Nghiên cứu trường ứng suất biến dạng, áp lực nước lỗ rỗng trong thân đập vật liệu địa phương trong điều kiện dòng thấm ổn định và dòng thấm không ổn định. Từ đó đánh giá mức độ an toàn cục bộ, an toàn tổng thể của đập vật liệu địa phương. Nghiên cứu ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng trong thân đập tới ổn định mái đập sau lũ trong điều kiện xảy ra mưa lũ kéo dài. 3. Phạm vi nghiên cứu của đề tài. Phạm vi nghiên cứu: Tập trung nghiên cứu với các đập vật liệu địa phương. 4. Mục tiêu của đề tài. Nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của yếu tố: áp lực nước lỗ rỗng đến an toàn ổn định đập vật liệu địa phương. 5. Cách tiế p cận và nghiên cứu. Thu thập, nghiên cứu tài liệu của các công trình thực tế: chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đất, hình dạng kích thước đê, chiều sâu cột nước thượng lưu, địa chất nền Tiếp cận với lý thuyết phần tử hữu hạn để phân tích và giải quyết bài toán về áp lực nước lỗ rỗng. Ứng dụng các phần mềm: Geo-Slope version 7, tính toán áp lực nước lỗ rỗng. [...]... - Sóng cao trong hồ - áp lực sóng trực tiếp vào bề mặt công trình Ma to tập trung - Lũ quét - Nớc trong hồ dâng cao - Bão hòa đất tự nhiên đất đắp đập Lũ lụt - Mực nớc dâng cao - Mực nớc rút nhanh - Dòng chảy tràn qua công trình và đồng ruộng Trợt lở đất Sự cố đối với đập đất - Lún của thân đập và nền quá lớn - Mất ổn định thấm - Kết cấu bảo vệ mái TL bị phá hoại - - Tràn đỉnh đập - Trợt mái hạ lu... Lũ xo c trng cho khung ct t to nờn bi cỏc ht t chng lờn nhau Nc trong bỡnh c trng cho nc t do chim y l rng trong t Cỏc l c np c trng cho l rng trong t liờn thụng ra bờn ngoi Nắp có lỗ đục Nớc Hạt đất Lò xo Nớc trong lỗ rỗng Bình Hỡnh 2-3: Mụ hỡnh thớ nghim Hỡnh 2-4: Mu t bóo hũa nc ... ruộng Trợt lở đất Sự cố đối với đập đất - Lún của thân đập và nền quá lớn - Mất ổn định thấm - Kết cấu bảo vệ mái TL bị phá hoại - - Tràn đỉnh đập - Trợt mái hạ lu - Trợt mái thơng lu - Kết cấu đất thân đập bị phá hoại - Trợt lở kéo theo công trình - Dòng đất đá cát sỏi tác động vào công trình - Gây sóng xung kích trong hồ Hỡnh 1-3: nh hng ca thiờn tai ti p t Túm li: Tỏc ng ca bóo, ma l, trt l t vo cụng . nghiên cứu: Tập trung nghiên cứu với các đập vật liệu địa phương. 4. Mục tiêu của đề tài. Nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của yếu tố: áp lực nước lỗ rỗng đến an toàn ổn định đập vật liệu địa phương. . 3.3.2. Nghiên cứu ổn định mái đập khi có xét đến ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng cho trường hợp 2: 53 3.3.3. Nghiên cứu ổn định mái đập khi có xét đến ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng cho. 3.3.4. Nghiên cứu ổn định mái đập khi có xét đến ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng cho trường hợp 4: 61 3.3.5. Nghiên cứu ổn định mái đập khi có xét đến ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng cho