Đánh giá ảnh hưởng của vị trí đặt và góc nghiêng của cừ chống thấm đến ổn định tổng thể của kết cấu dâng nước

Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của vị trí đặt, góc nghiêng cừ chống thấm và khoảng cách tối ưu nếu có hai cừ được trí đến sự ổn định tổng thể các kết cấu dâng nước dùng phương pháp phần tử hữu hạn.

ĐÁNH GIÁ ẢNH H ỞNG C A VỊ TRÍ ĐẶT VÀ GÓC NGHIÊNG C A CỪ CHỐNG THẤM ĐẾN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ C A KẾT CẤU DÂNG N C TRẦN THẾ VIỆT, HOÀNG VIỆT HÙNG, BÙI THẾ VĂN* Assessing the influence of the location and angle of inclination of cutoff to the general stability of hydraulic structures Abstract: This study assesses the influence of the location, the angle of inclination of cutoff, and the optimum distance if two cutoffs are used to the general stability of hydraulic structures using the finite element method For this purpose, different locations of cutoff with various angles of inclination in the dam foundation were simulated and analyzed The results reveal that when only one vertical cut-off was used, the heel (upstream) of the dam is the optimum location The corresponding model has the smallest water discharge, risk of erosion and uplift pressure At this location, the inclination of cut-off of 45o with respect to the upstream surface gives the most beneficial results in decreasing the water discharge and the hydraulic gradient The smaller the inclination, the safer the dam against the uplift pressure The use of larger spacing between two vertical cutoff walls under hydraulic structure reduced the water discharge and the risk of erosion However, the safety against uplift pressure decreases considerably in this case Therefore, regarding dam with inclined cutoff or having two cutoff, it is suggested that engineer should base on the practical working conditions of the hydraulic structures to select the most suitable scenario Keywords: cutoff wall, erosion, uplift pressure, water discharge MỞ ĐẦU* Nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng c a vị trí đặt, góc nghiêng cừ ch ng thấm khoảng cách t i ƣu có hai cừ đƣợc trí đến ổn định tổng thể c a kết cấu d ng nƣ c dùng phƣơng pháp phần tử hữu hạn Theo đó, m t loạt phép thử ứng v i kịch ản khác vị trí góc nghiêng c a cừ đƣợc tính tốn ph n tích Kết tính cho thấy có m t cừ thẳng đứng dƣ i đáy cơng trình mép thƣợng lƣu cơng trình * Khoa Cơng Trình, Đại Học Thủ lợi 175 Tâ Sơn - Đống Đa - Hà Nội DĐ: 0912723376 Email:hoangviethung@tlu.edu.vn 40 vị trí t i ƣu nhất, có tổn thất thấm, nguy xói ngầm áp lực đ y ngƣợc nhỏ Ứng v i vị trí này, đặt cừ nghiêng góc 45 đ so v i mặt thƣợng lƣu cho kết lợi tổn thất thấm ch ng xói Tuy nhiên, góc nghiêng l n giá trị áp lực đ y ngƣợc lại l n Trƣờng hợp có cừ thẳng đứng v i m t cừ mép thƣợng lƣu trí khoảng cách cừ nhỏ áp lực đ y ngƣợc nhỏ, nhƣng giá trị lƣu lƣợng thấm nguy xói lại tăng Do đó, v i trƣờng hợp cừ nghiêng có m t cừ, cần vào điều ki n làm vi c thực tế c a công trình để có phƣơng án trí phù hợp ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 GIỚI THIỆU CHUNG Các cơng trình th y công nhƣ đập chắn, c ng điều tiết nƣ c, đập tràn, … vv, kết cấu dùng để kiểm soát điều tiết nguồn nƣ c Các kỹ sƣ th y lợi nên quan t m đầy đ đến vi c tính tốn loại kết cấu để chúng làm vi c theo yêu cầu thiết kế đặt Khi m t cơng trình th y đƣợc x y dựng thấm nƣ c, chênh l ch c t nƣ c áp thƣợng hạ lƣu tạo thành d ng thấm D ng thấm di chuyển từ n i có mực nƣ c cao đến nơi có mực nƣ c thấp làm giảm hi u tích nƣ c c a hồ chứa làm tăng nguy ổn định đập d ng thấm g y áp lực đ y ngƣợc lên ản đáy cơng trình [1] Ngồi ra, gặp điều ki n thuận lợi, d ng thấm kéo theo hạt đất nền, g y xói ngầm dẫn đến hình thành c a mạch đùn, mạch s i, s t lún Đ y thƣờng nguyên nh n g y phá hoại cơng trình th y cơng Do đó, tồn c a d ng thấm lực thấm ên dƣ i kết cấu th y lực đƣợc coi nhƣ m t vấn đề quan trọng ảnh hƣởng đến an tồn ổn định c a cơng trình Để đảm ảo an toàn ch ng lại ảnh hƣởng c a d ng thấm thiết kế cơng trình th y cơng, có a vấn đề cần kiểm sốt [2]: 1) An toàn ch ng lại áp lực đ y ngƣợc: áp lực đ y ngƣợc thƣờng xuất hi n tác d ng c a d ng thấm ên dƣ i kết cấu th y công g y m t áp lực tác d ng lên ản đáy c a kết cấu Nếu áp lực vƣợt trọng lƣợng ản th n c a kết cấu, lật trƣợt x y 2) An tồn ch ng xói: d ng thấm ên dƣ i kết cấu th y lực đầu từ thƣợng lƣu thấm xu ng hạ lƣu Nếu gradient th y lực cửa l n giá trị gi i hạn c a nền, hi n tƣợng xói ngầm xuất hi n g y hi n tƣợng rửa trôi cu n theo hạt vật li u nhỏ ngoài, 3) Tổn thất thấm l n làm giảm hi u tích nƣ c c a hồ Thực tế, cơng trình th y cơng thƣờng đƣợc x y dựng thấm nƣ c D ng thấm g y áp lực thấm hi n tƣợng xói ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 ngầm Do đó, thiết kế cơng trình th y cơng thấm nƣ c, cần lƣu ý vấn đề an toàn ch ng lật xói ngầm M t phƣơng pháp hữu hi u để trì an tồn c a cơng trình ch ng lại áp lực đ y ngƣợc xói ngầm giảm tổng áp lực đ y ngƣợc gradient thấm l n cửa Giải pháp cơng trình thƣờng dùng thi công thêm tƣờng ch ng thấm (tƣờng ch ng thấm đƣợc tạo ằng cơng ngh khoan ph t, hào ê tơng, đóng cừ thép, …vv) ên dƣ i kết cấu chắn giữ [3] Loại tƣờng thƣờng đƣợc thiết kế ằng vật li u có tính thấm nhỏ có tác d ng giảm tổn thất thấm nhƣ giảm gradient th y lực l n cửa c a d ng thấm Bi n pháp giúp giảm thiểu đáng kể kích thƣ c c a cơng trình Ƣ c lƣợng giá trị gradient cửa c a d ng thấm, áp lực đ y ngƣợc, lƣu lƣợng thấm dƣ i đập có vai tr quan trọng thực tế Vi c thi công thêm tƣờng ch ng thấm s u dƣ i phía trƣ c kết cấu chắn giữ để giảm thiểu tác d ng tiêu cực c a d ng thấm đƣợc nghiên cứu gi i thi u ởi Di Cervila (2004) [4] Lời giải cho ài tốn tính thấm nhiều l p ên dƣ i kết cấu chắn giữ có tƣờng cừ ch ng thấm đƣợc phát triển ởi Feng and Wu (2006) [5] Tuy nhiên, hi n có nghiên cứu xét đến yếu t góc nghiêng c a tƣờng ch ng thấm ([2], [6]) Hơn nữa, phần l n nghiên cứu thƣờng vào giả thiết đất đồng đẳng hƣ ng có chiều s u hữu hạn A as (1994) [7] dùng phép iến đổi ảo giác để đƣa lời giải cho ài toán thấm dƣ i đáy đập phẳng có ch ng thấm ằng cừ nghiêng mép phía thƣợng lƣu c a đồng chất đẳng hƣ ng Ông kết luận dùng tƣờng ch ng thấm đặt nghiêng góc giúp làm tăng h s an tồn ch ng lật xói ngầm Ngày nay, lí thuyết tính tốn thấm qua đập ê tông dùng tƣờng ch ng thấm chƣa thực hoàn thi n Đặc i t cần đánh 41 giá hi u c a tƣờng ch ng thấm tƣờng đƣợc đặt vị trí, góc nghiêng khác nhau, có nhiều m t tƣờng ch ng thấm đƣợc dùng Do đó, nghiên cứu tập trung vào hai m c tiêu1) Giúp đánh giá vị trí, góc nghiêng t i ƣu đặt tƣờng ch ng thấm dƣ i đập ê tông 2) Chỉ khoảng cách t i ƣu có hai tƣờng ch ng thấm đƣợc áp d ng Để thực hi n m c tiêu nêu, nghiên cứu so sánh hi u c a tƣờng ch ng thấm v i thông s thiết kế khác ứng d ng cho m t đập d ng nƣ c giả định Ở đ y, vị trí góc nghiêng c a tƣờng cừ đƣợc thay đổi Vi c mô đƣợc tiến hành dùng phƣơng pháp phần tử hữu hạn v i module SEEP/W [8] phần mềm Geostudio 2018 c a Canada CÔNG CỤ VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU D ng thấm ên dƣ i đập ê tông tạo thành áp lực đ y ngƣợc tác d ng lên ản đáy Áp lực ảnh hƣởng đến làm vi c c a đập Ngoài ra, gradient th y lực cửa hình thành mạch đùn, mạch s i đạt t i giá trị t i hạn Nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng c a vị trí góc nghiêng đặt cừ đến tổn thất thấm, áp lực đ y ngƣợc tác d ng lên ản đáy gradient th y lực điểm phía hạ lƣu c a đập dùng module SEEP/W phần mềm Geostudio 2018 SEEP/W phần mềm giao di n đồ họa, dùng để mơ hình hóa chuyển đ ng c a nƣ c ph n áp lực nƣ c lỗ rỗng môi trƣờng đất đá theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn SEEP/W ph n tích ài tốn tính thấm có áp, không áp, ngấm mƣa, thấm từ ồn chứa nƣ c ảnh hƣởng t i mực nƣ c ngầm, …vv Phƣơng trình ản c a d ng thấm SEEP/W có dạng: đó:  q – lƣu lƣợng thấm (m3/s);  ; – h s thấm theo phƣơng ngang phƣơng đứng; 42  h – tổng c t nƣ c thấm (m); Để thực hi n m c tiêu nêu, nghiên cứu này, nhóm tác giả dùng phƣơng pháp thử dần, tính tốn mơ hình v i trƣờng hợp vị trí, góc nghiêng c a tƣờng ch ng thấm khác Trên sở kết so sánh lƣu lƣợng d ng thấm, áp lực thấm đ y ngƣợc tác d ng lên ản đáy gradient thấm cửa c a d ng thấm, phƣơng án t i ƣu vị trí đặt tƣờng, góc nghiêng c a tƣờng khoảng cách t i ƣu có hai tƣờng đƣợc chọn MNTL = + 33m 35 30 Bê tông 25 20 15 10 Đất 0 10 20 30 40 50 Khoảng cách (m) Hình Mặt cắt ngang cơng trình Hình mơ tả mặt cắt ngang mơ c a ài tốn gồm m t kết cấu d ng nƣ c cao 10 m, ản đáy r ng 10 m Mực nƣ c thƣợng lƣu cao trình + 33 m; mực nƣ c hạ lƣu sát cao trình mặt đất phía hạ lƣu Nền đập thấm nƣ c có h s thấm ão h a k = 10 -5 m/s Bi n pháp ch ng thấm áp d ng trí cừ ch ng thấm v i chiều dài 12 m Cừ ch ng thấm đƣợc mô dƣ i dạng phần tử interface v i h s thấm nhỏ Cách khai áo loại phần tử đƣợc thể hi n Hình Trƣ c đ y, tƣờng cừ thƣờng đƣợc mô ằng cách tạo vùng rỗng lƣ i phần tử mà khơng có vật li u tức phải tạo m t lỗ hổng h lƣ i Cách dùng phần tử ề mặt có ƣu cho kết xác [8] ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 4.2 Bài toán Từ vị trí ất lợi có từ ài tốn 1, góc nghiêng cắm cừ t i ƣu để giảm thiểu tác đ ng ất lợi c a d ng thấm đến cơng trình đƣợc xác định Ở đ y, góc nghiêng đƣợc chọn sở ph n tích đánh giá kết Hình Khai báo phần tử interface đặc trưng cho c chống thấm CÁC TRƢỜNG HỢP TÍNH Nhƣ trình ày trên, tác giả dùng phƣơng pháp thử dần Đầu tiên, ài tốn xác định vị trí t i ƣu c a cừ đặt cừ thẳng đứng Từ vị trí thuận lợi xác định đƣợc, tăng dần góc nghiêng c a cừ để tìm đƣợc góc nghiêng t i ƣu c a cừ ( ài toán 2) Cu i cùng, khoảng cách t i ƣu hai cừ đƣợc xác định thực tế đ i hỏi cần phải trí thêm cừ ch ng thấm ( ài tốn 3) Chú ý rằng, vị trí góc nghiêng t i ƣu c a cừ đƣợc chọn sở ph n tích yêu cầu thiết kế Tùy vào yêu cầu c a ngƣời thiết kế ƣu tiên vấn đề ch ng thấm nƣ c, ổn định ch ng đ y ngƣợc hay ổn định ch ng xói ngầm 4.1 Bài tốn Sơ đồ tính tốn c a ài tốn đƣợc thể hi n Hình Gọi khoảng cách trí từ thƣợng lƣu đến vị trí cừ Xét trƣờng hợp tỉ s thay đổi tƣơng ứng 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0 gradient thấm v i trƣờng hợp góc nghiêng c a cừ ch ng thấm so v i mặt thƣợng lƣu (ngƣợc chiều kim đồng hồ) 15o ; 30 o ; 45 o ; 60 o; 75 o, 90 o ; 105 o ; 120o; 135 o ; 150 o ; 165 o Hình iểu thị mơ hình tính v i trƣờng hợp cừ nghiêng góc so v i mặt thƣợng lƣu đập Hình Mơ hình tính tốn với u kiện MNTL = + 33m 35 tính lƣu lƣợng thấm, áp lực đ y ngƣợc biên tốn 30 Bê tơng 25 4.3 Bài tốn 12 m Cừ ch ng thấm 20 Từ vị trí góc nghiêng xác định ài tốn 15 2, đặt thêm m t cừ song song, v i khoảng b 10 B cách 1m, 2m, 3m, 4m, 5m, 6m, 7m, 8m, 9m, Đất 0 10 20 30 40 Khoảng cách (m) Hình Mơ hình tính tốn với u kiện biên toán ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 50 10m Ph n tích để tìm vị trí đặt hai cừ t i ƣu Hình minh họa m t trƣờng hợp tính khoảng cách hai cừ 43 36 MNTL = + 33m 33 30 Bê tông 27 24 21 18 15 12 b B Đất 0 10 20 30 40 50 Hình Giá trị gradient thủ lực lớn n n vị trí tường chống thấm Hình Mơ hình tính tốn với u kiện biên tốn KẾT QUẢ TÍNH TỐN 5.1 Kết tốn Các hình từ Hình đến Hình thể hi n kết tính lƣu lƣợng thấm qua đập, gradient thấm l n tổng cƣờng đ lực đ y ngƣợc tác d ng lên ản đáy Từ hình này, thấy xét đến lƣu lƣợng thấm qua gradient th y lực l n hình thành vị trí t i ƣu c a cừ hai mép thƣợng hạ lƣu đập Tuy nhiên, xét đến hình thành áp lực đ y ngƣợc dƣ i ản đáy đập vị trí cừ mép thƣợng lƣu lại cho giá trị an toàn /B l n giá trị áp lực tăng Vậy, vị trí t i ƣu có cừ thẳng đứng vị trí sát mép thƣợng lƣu đập Hình Tổng áp lực đ ngược tác d ng l n đá vị trí tường 5.2 Kết toán Từ kết ài tốn 1, tác giả chọn vị trí cừ sát mép iên thƣợng lƣu đập Bài toán tiếp t c nghiên cứu xác định góc nghiêng t i ƣu c a cừ ằng cách tính thử dần Các hình từ Hình đến hình 11 thể hi n kết tính c t nƣ c tổng, áp lực nƣ c lỗ rỗng (áp lực thấm), gradient thấm dƣ i đập áp lực đ y ngƣợc tác d ng lên ản đáy cừ ch ng thấm đặt mép sát thƣợng lƣu nghiêng góc Hình Quan hệ lưu lượng thấm vị trí tường chống thấm 44 so v i mặt thƣợng lƣu ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 Hình Quan hệ lưu lượng thấm g c nghi ng so với mặt thượng lưu c Theo kết Hình Hình 10 ta thấy, cơng trình có ƣu tiên giảm tổn thất thấm ch ng xói ngầm đặt cừ nghiêng góc 45 đ so v i mặt thƣợng lƣu lợi Cừ đặt nghiêng góc l n tổn thất thấm gradient th y lực có xu hƣ ng tăng Tuy nhiên, cơng trình đặt nặng an tồn ch ng lật nên đặt cừ nghiêng góc phía hạ lƣu cơng trình Giá trị góc nghiêng l n áp lực đ y ngƣợc lên ản đáy nhỏ 5.3 Kết tốn Các hình từ Hình 12 đến Hình 14 trình ày kết tính lƣu lƣợng thấm, gradient thấm áp lực đ y ngƣợc ứng v i trƣờng hợp khoảng cách hai cừ iến đổi Có thể thấy rằng, tổn thất thấm nguy xói ngầm giảm khoảng cách hai cừ tăng Tuy nhiên, khoảng cách l n áp lực đ y ngƣợc tăng lên (Hình 14) Do đó, vào kết tính tốn v i nhiều phép thử ta thấy vấn đề tổn thất thấm nguy xói là yếu t cần lƣu t m nên trí khoảng cách hai cừ l n t t Trong đó, vấn đề an tồn ch ng lật vấn đề nên giảm khoảng cách trí hai cừ Hình 12 Quan hệ lưu lượng thấm Q ng với khoảng cách c khác Hình 10 Giá trị gradient thủ lực lớn n n g c nghi ng so với mặt thượng lưu c Hình 11 Tổng áp lực đ ngược tác d ng l n đá g c nghi ng so với mặt thượng lưu c ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 Hình 13 Quan hệ giá trị gradient thủ lực lớn khoảng cách hai c 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 14 Quan hệ tổng áp lực đ khoảng cách hai c ngược VI KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, phƣơng pháp phần tử hữu hạn đƣợc áp d ng để ph n tích d ng thấm cơng trình th y cơng dùng cừ thép ch ng thấm Dùng phƣơng pháp thử dần, dựa trên ph n tích mơ hình s ta thấy: Trƣờng hợp có m t cừ ch ng thấm thẳng đứng, kết ph n tích cho thấy có m t cừ thẳng đứng dƣ i đáy cơng trình mép thƣợng lƣu đập vị trí t i ƣu nhất, kết cho tổn thất thấm, nguy xói áp lực đ y ngƣợc nhỏ Ứng v i vị trí này, đặt cừ nghiêng góc 45 đ so v i mặt thƣợng lƣu cho kết lợi tổn thất thấm ch ng xói Tuy nhiên, trƣờng hợp này, góc nghiêng l n giá trị áp lực đ y ngƣợc lại giảm Trƣờng hợp có cừ thẳng đứng v i m t cừ mép thƣợng lƣu trí khoảng cách cừ nhỏ áp lực đ y ngƣợc nhỏ, nhƣng giá trị lƣu lƣợng thấm nguy xói lại tăng Do đó, v i trƣờng hợp cừ nghiêng có m t cừ, cần vào điều ki n làm vi c thực tế c a cơng trình để có phƣơng án trí phù hợp [1] Chi, N M., Hau, P D., & Viet, T T (2010) Nghiên cứu đánh giá khả ổn định thấm đê t n cƣơng - Vĩnh Phúc Vietnam Geotechnical Journal, 3, 31-39 [2] Moharrami, A., Moradi, G., Bonab, M H., Katebi, J., & Moharrami, G (2014) Performance of Cutoff Walls Under Hydraulic Structures Against Uplift Pressure and Piping Phenomenon Geotech Geol Eng, 33(1), 95-103 doi:DOI 10.1007/s10706-014-9827-7 [3] Vi n Khoa học th y lợi Vi t Nam (2012) TCVN 9137: 2012- Công trình th y lợi - Thiết kế đập ê tơng ê tông c t thép In (pp 1-55) Hanoi: B Khoa học Công ngh [4] Di Cervila, A R (2004) Construction of the Deep Cut-off at the Walter F George Dam Paper presented at the GeoSupport Conference 2004, Orlando, Florida, 1-15 [5] Feng, Z., & Wu, J T H (2006) The epsilon method: analysis of seepage beneath an impervious dam with sheet pile on a layered soil Canadian Geotechnical Journal, 43(1), 59– 69 doi:10.1139/T05-092 [6] Alsenousi, K F., & Mohamed, H H (2008) Effects of inclined cutoffs and soil foundation characteristics on seepage beneath hydraulic structures Paper presented at the Twelfth International Water Technology Conference IWTC12 2008, Alexandria, Egypt 1597-1617 [7] Abbas, Z I (1994) Conformal analysis of seepage below a hydraulic structure with an inclined cutoff International Jounal for numerical and analytical methods in Geomechanics, 345-353 [8] Geoslope_International_Ltd (2018) Seep/W user's guide for finite element analyses Calgary, Alberta, Canada: Geoslope International Ltd Người phản biện: PGS.TS VƢƠNG VĂN THÀNH 46 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 ... dần Đầu tiên, ài toán xác định vị trí t i ƣu c a cừ đặt cừ thẳng đứng Từ vị trí thuận lợi xác định đƣợc, tăng dần góc nghiêng c a cừ để tìm đƣợc góc nghiêng t i ƣu c a cừ ( ài toán 2) Cu i cùng,... th y lực cửa hình thành mạch đùn, mạch s i đạt t i giá trị t i hạn Nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng c a vị trí góc nghiêng đặt cừ đến tổn thất thấm, áp lực đ y ngƣợc tác d ng lên ản đáy gradient... n n vị trí tường chống thấm Hình Mơ hình tính tốn với u kiện biên tốn KẾT QUẢ TÍNH TỐN 5.1 Kết tốn Các hình từ Hình đến Hình thể hi n kết tính lƣu lƣợng thấm qua đập, gradient thấm l n tổng cƣờng