Ứng dụng mô hình toán kiểm tra ổn định đập đất hồ chứa Nước Trong, tỉnh Quảng Ngãi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HẢI LONG ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TỐN KIỂM TRA ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƢỚC TRONG, TỈNH QUẢNG NGÃI Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số: 85.80.02.02 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY Đà nẵng - Năm 2019 Cơng trình hồn thành TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ VĂN THẢO Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Thế Hùng Phản biện 2: TS Phạm Quang Đông Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệpThạc sĩ kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy họp trường Đại học Bách Khoa vào ngày 01 tháng năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa  Thư viện Khoa Xây Dựng Thủy Lợi Thủy Điện, Trường Đại học Bách học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong năm qua Nhà nước đầu tư hàng chục nghìn tỷ đồng để xây dựng cơng trình thủy lợi lớn nhỏ phục vụ tưới tiêu cho hàng triệu đất canh tác, ngăn mặn, cải tạo đất, giảm nhẹ thiên tai, cấp nước cho ngành kinh tế quốc dân Đối với cơng trình thủy lợi, đập chiếm vị trí quan trọng cụm cơng trình đầu mối hồ chứa cơng trình dâng nước Ở nước ta, đập đất xây dựng phổ biến đặc điểm an toàn, kinh tế đảm bảo vệ sinh mơi trường xây dựng Đập đất xây dựng nhiều loại nền, dễ thích ứng với độ lún nền, bị nứt nẻ gây phá hoại đập Ngồi tận dụng vật liệu địa phương, giảm giá thành, thi cơng đơn giản…Do đặc tính ưu việt nên đập đất ngày phổ biến rộng rãi nước ta giới Hồ chứa nước Nước Trong xây dựng sông Nước Trong thuộc phụ lưu tả ngạn sông Trà Khúc Cơng trình nằm địa bàn xã Sơn Bao huyện Sơn Hà, cách thị xã Quảng Ngãi khoảng 50 Km phía Tây, cách thị trấn Sơn Hà khoảng 10 Km phía Tây Tây Bắc Vùng lòng hồ chứa gồm xã huyện Sơn Hà (Di Lăng Sơn Bao) xã huyện Tây Trà thành lập (Trà Phong, Trà Xinh, Trà Trung Trà Thọ) Hồ chứa nước Nước Trong Hình 1: Hồ chứa nước Nước Trong - Tỉnh Quảng Ngãi (Ảnh chụp từ vệ tinh) Tuy nhiên đặc thù khu vực miền trung nói chung tỉnh Quảng Ngãi nói riêng gặp nhiều thiên tai hàng năm, bão lũ thường xuyên xảy mà Hồ chứa nước Trong lại hồ có dung tích 289,5 triệu m3 (Hồ chứa có dung tích lớn tỉnh Quảng Ngãi) Vì việc ứng dụng mơ hình tốn kiểm tra ổn định đập đất Hồ chứa nước nước Nước Trong việc làm cần thiết nhằm đảm bảo cho cơng trình tuyệt đối an tồn khơng có cố đáng tiết cho hạ du việc quan quản lý quan tâm cần thiết Dòng thấm đập đất nói chung phức tạp, vị trí tiếp giáp với sườn đồi thường dòng thấm khơng gian Dòng thấm liên quan mật thiết đến điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn Trong tính tốn, thiết kế đập đất nay, việc tính tốn thấm thường sử dụng mơ hình tốn hai chiều đứng (2D) gọi thấm phẳng, giải theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), để tính tốn cho mặt cắt đại diện đập đất Tuy nhiên, việc tính tốn thấm theo mơ hình hai chiều đứng số trường hợp điều kiện địa hình, địa chất mơ hình chưa phản ánh dòng thấm thực tế, đập cao, có tỷ số chiều dài (L) chiều cao (H) từ ÷ [4] Kết tính tốn để thiết kế có khả gây cố cơng trình, lãng phí Vì cần thiết phải nghiên cứu dòng thấm khơng gian qua đập đất (3D) số trường hợp đập đất có điều kiện địa hình, địa chất đặc biệt, để đánh giá ảnh hưởng dòng thấm đến an tồn cơng trình hiệu kinh tế; từ để đơn vị chức đề xuất phương án nhằm đảm bảo ổn định cho đập đất Mục đích nghiên cứu Tính tốn thấm ổn định khơng gian qua đập đất Hồ chứa nước NướcTrong mơhình Seep3D GEO-SLOPE international Ltd, nhằm xác định đường bão hòa ảnh hưởng dòng thấm ổn định mái đập đất Từ đưa nhận xét kiến nghị Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đập đất Hồ chứa nước Nước Trong nằm địa bàn xã Sơn Bao huyện Sơn Hà, tỉnh Quảng Ngãi Phạm vi nghiên cứu: Dòng thấm khơng gian, ổn định qua đập đất Hồ chứa nước Nước Trong Phƣơng pháp nghiên cứu - Khảo sát thực tế trường, thu thập phân tích tài liệu có kết hợp với nghiên cứu phương pháp kỹ thuật phần mềm, đề xuất giải pháp kỹ thuật phù hợp (nếu có) - Ứng dụng phần mềm mơ hình Seep3D tính thấm khơng gian ổn định cho cho mặt cắt đại diện đập đất hồ chứa nước Nước Trong Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Việc giải toán thấm thường sử dụng mơ hình tốn hai chiều đứng (2DV), xoay quanh sơ đồ phẳng không phản ánh tình hình thủy lực dòng thấm thực tế Nhất vị trí đặc biệt mặt cắt vai đồi chẳng hạn, khó khăn chọn biên MNHL Điều dẫn đến việc lựa chọn mặt cắt chưa hợp lý, dẫn đến cố cơng trình lãng phí Mơ hình Seep3D GEO-SLOPE international Ltd, xây dựng dựa phương pháp PTHH với khả mơ hình hố dòng thấm ổn định theo không gian ba chiều; nên kết tiệm cận với dòng thấm thực tế hơn, qua hàng loạt vấn đề thiết kế đập đất cải thiện Việc xây dựng ngày nhiều công trình thủy lợi, thủy điện nhằm đáp ứng nhu cầu lượng cấp nước điều tất yếu xảy ra, giai đoạn cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước Trong tất cơng trình đã, xây dựng tuyến dâng nước (hay gọi đập) chủ yếu làm đất Theo thống kê 93 hồ chứa nước lớn nước bị thấm lẽ đương nhiên có nguyên nhân sơ đồ tính khơng phù hợp Nói tóm lại tốn tính thấm theo mơ hình tốn hai chiều đứng (2DV) đến lúc cần phải thay thấm không gian (3D) đập có chiều cao lớn, chiều dài bé (tỉ chiều cao/chiều dài = H/L= 1/4 ÷ 1/1) Qua điều trình bày cho thấy đề tài luận văn có ý nghĩa khoa học thực tiễn rõ rệt Chƣơng I TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƢƠNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO ỔN ĐỊNH HỒ CHỨA 1.1 Tổng quan đập vật liệu địa phƣơng (VLĐP) 1.1.1 Tổng quan đập đất giới 1.1.2 Tổng quan đập đất, hồ chứa Việt Nam Việt Nam nước có nhiều hồ chứa Theo điều tra dự án UNDP VIE 97 2002 Việt Nam có khoảng 10.000 hồ 180 đứng vào hàng thứ 24 nước có số liệu thống kê ICOLD Theo số thống kê Bộ Nông nghiệp PTNT năm 2002 nước ta có 1967 hồ (dung tích hồ 2.105 m3) Trong có 10 hồ thủy điện có tổng dung tích 19 tỷ m3 lại 1957 hồ thủy nơng với dung tích 5,842 tỷ m3 Nếu tính hồ có dung tích từ triệu m3 nước trở lên có 587 hồ có nhiệm vụ tưới chính.Các hồ chứa phân bố khơng phạm vi tồn quốc Trong số 61 tỉnh thành nước ta có 41 tỉnh thành có hồ chứa nước Các tỉnh miền Bắc miền Trung có diện tích tự nhiên chiếm 64,3 , dân số chiếm 60,3% toàn quốc số hồ chiếm tới 88,2 số hồ toàn quốc Các hồ xây dựng thời k phát triển đất nước Tính khu vực miền Bắc miền Trung Việt Nam số hồ xây dựng từ năm 1960 trở trước chiếm khoảng , từ 1960 đến 1975 chiếm 44% từ 1975 đến chiếm 50% Hầu hết đập xây dựng nước ta đập đất Đất đắp đập lấy chỗ gồm loại đất: đất pha tàn tích sườn đồi, đất Bazan, đất ven biển miền Trung Phần lớn đập đất xây dựng theo hình thức đập đất đồng chất, mái thượng lưu bảo vệ đá xếp, mái hạ lưu trồng cỏ ô đổ sỏi (website Hội đập lớn phát triển nguồn nước việt nam) 1.1.3 Hiện trạng đập đất Việt Nam Theo chiều cao đập có khoảng 20 số đập cấp ba, 70 đập cấp bốn cấp năm, lại khoảng 10 đập từ cấp hai trở lên Các đập xây dựng thời k trước 1960 khoảng , từ 1960 đến 1975 khoảng 44 , từ 1975 đến khoảng 50 Phân tích 100 hồ có dự án sửa chữa cải tạo nâng cấp 71 hồ có tượng hư hỏng đập Như đập loại cơng trình đầu mối có hư hỏng chiếm tỷ lệ cao Các hư hỏng xảy đập thường là: Do thấm gây thấm mạnh, sủi nước đập Đồng Mô-Hà Tây, Suối Giai-Sông Bé, Vân Trục-Vĩnh Phúc… Thấm mạnh, sủi nước vai đập Khe Chè-Quảng Ninh, Ba Khoang-Lai Châu, Sông Mây-Đồng Nai… Thấm mạnh nơi tiếp giáp với tràn cống đập Vĩnh Trinh- Đà Nẵng, Dầu Tiếng-Tây Ninh… Loại hư hỏng biểu thấm chiếm khoảng 44,9 Hư hỏng thiết bị bảo vệ mái thượng lưu Khoảng 85 đập xây dựng bảo vệ mái đá lát đá xây lại bê tơng lắp ghép bê tông đổ chỗ Số đập có hư hỏng kết cấu bảo vệ mái chiếm 35,4% Các hư hỏng khác sạt mái, lún không đều, nứt, tổ mối,… chiếm khoảng 19,7 Có thể nói đập hạng mục cơng trình quan trọng cơng trình hồ chứa, hư hỏng nặng đập dễ dẫn tới nguy cố vỡ đập 1.1.4 Tình hình xây dựng đập Việt Nam 1.2 Ảnh hƣởng dòng thấm đập đất 1.2.1 Thấm phẳng thấm không gian qua đập đất Đối với đập xây dựng sông đồng thường có chiều cao nhỏ, chiều dài lớn, chuyển động thấm phạm vi phần lớn chiều dài đập thấm gần phẳng, nghĩa dòng thấm gần vng góc với trục dọc đập Trong đập cao xây dựng vùng núi, đập xây dựng sơng suối hẹp chuyển động dòng thấm có tính khơng gian rõ rệt Hình 1.3: Sơ đồ thấm khơng gian đập đất a)Bình đồ đập đường dòng thấm đặc bình diện b) Các mặt cắt qua đường dòng đặc trưng Bản thân lòng sơng đa số trường hợp làm chức nước thấm khơng gian Riêng đoạn mặt cắt qua khu vực lòng sơng ngập nước hạ lưu, dòng thấm có phương vng góc với trục đập (mặt cắt A-A hình 1.7) chuyển động thấm xem phẳng Tại hai vai đập, phạm vi bãi bồi sườn dốc hai bên bờ, đường dòng thấm có dạng cong kéo dài bình diện (các mặt cắt B-B C-C (như hình 1.7)[6] 1.3 Các loại cố đập VLĐP Việc xây dựng hồ, đập mang lại nhiều lợi ích sống cho người Tuy nhiên, với thời gian khai thác, công trình bị xuống cấp hư hỏng gây nhiều thiệt hại nghiêm trọng Trong lịch sử xây dựng đập đất giới, Việt Nam đến chứng kiến nhiều cố thấm gây thiệt hại lớn người Những cố thường gặp nguyên nhân gây cố đập đất sau: 1.3.1 Nguyên nhân khách quan 1.3.2 Nguyên nhân khách quan 1.4 Một số cố vỡ đập điển hình Việt Nam 1.4.1 Vỡ đập Suối Hành Khánh Hòa 1.4.2 Vỡ đập Suối Trầu Khánh Hòa 1.4.3 Vỡ đập Am Chúa Khánh Hòa 1.4.3 Đập tràn hồ chứa nước Dầu tiếng 1.5 Các phƣơng pháp xử lý thấm nâng cao ổn định đập đất điều kiện ứng dụng 1.5.1 Mục đích việc xử lý thấm 1.5.2 Giải pháp xử lý thấm cho cơng trình đập 1.5.3 Chống thấm khoan truyền thống 1.6 Tình hình giải tốn thấm 1.6.1 Tình hình giải tốn thấm nước ngồi 1.6.2 Tình hình giải tốn thấm nước Ở Việt Nam, Nguyễn Xuân Trường sử dụng phương pháp thuỷ lực để tính tốn thấm qua đập đất có kiểu thiết bị chống thấm tường nghiêng, tường răng, cọc, màng xi măng; Nguyễn Hữu An sử dụng phương pháp thuỷ lực để xác định phạm vi bảo vệ đê sơng sở giải tốn thấm đánh giá ổn định đê; Hu nh Bá Kỹ Thuật dùng phương pháp thuỷ lực để tính tốn thấm qua cơng trình thuỷ lợi có xét trao đổi nước thấm thân đập Giải toán thấm qua đập đất dùng hai dãy hào bentonite làm thiết bị chống thấm số tác giả khác nghiên cứu toán thấm khơng gian Trong q trình thiết kế thi cơng, quản lý vận hành cơng trình đầu mối thủy lợi Việt Nam, việc sử dụng mơ hình 2D để tính sử dụng nhiều, mơ hình tính thấm khơng gian (3D) việc sử dụng thực tế nhiều hạn chế 1.7 Kết luận chƣơng Đối với đập đất vấn đề tính thấm đề cập tới nội dung xuyên suốt q trình thiết kế, thi cơng vận hành cơng trình, nhằm xác định yếu tố thủy lực dòng thấm Trong nhiều trường hợp đánh giá khơng chuẩn xác yếu tố thủy lực nói trên, nguyên nhân gây cố cơng trình, lãng phí Cho đến vấn đề tính thấm qua đập đất giải phương pháp cổ điển phương pháp phân đoạn, phương pháp biến đổi mái dốc , phương pháp đại như: sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn, … theo mơ hình thấm chiều, hai chiều, ba chiều Trong phương pháp PTHH có ưu điểm trội phương pháp khác cho lời giải tốn thấm xác so với phương pháp khác tự động hóa tính tốn miền thấm có địa chất phức tạp, hình dạng biên điều kiện biên tùy ý Dòng thấm hai bên vai đập phức tạp, thay đổi theo khơng gian thời gian Các phương pháp cổ điển tính thấm trường hợp theo mơ hình thấm ổn định, hai chiều đứng chừng mực định làm sai lệch hình ảnh dòng thấm Do kết tính tốn khơng sát với thực tế, dẫn đến việc thiết kế mặt cắt đập chưa hợp lý, đơi gây lãng phí an tồn Do việc áp dụng phương pháp PTHH với mơ hình ba chiều cho kết gần với thực tế 10 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA SPEE3D – GIẢI BÀI TỐN THẤM KHƠNG GIAN BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 2.1 Giới thiệu mô hình Seep3D Seep3D mơ hình GEO-SLOPE international Ltd để giải toán thấm ba chiều Seep3D thể mơ hình khác hồn tồn so với mơ hình số GeoStudio Người dùng khơng tạo mơ hình khơng gian tương thích với kết thực tế mà tạo nhiều lớp tốn mà trước khơng thể phân tích Seep3D dựa khái niệm "các đối tượng" kết hợp với để tạo thành mơ hình Cách dễ để tưởng tượng hệ thống nghĩ đến LEGO®, trò chơi tiếng trẻ em LEGO® gồm nhiều miếng nhỏ riêng biệt, kết nối lại với xây dựng thành cấu trúc có ý nghĩa Các miếng tương đối đơn giản hạng mục cụ thể hóa hàm đơn Vật liệu điều kiện biên tạo thành riêng biệt miền Điều cho phép người dùng xóa khối miền mà khơng thơng tin điều kiện biên hay vật liệu Tạo điều kiện biên sau áp vào nhiều vị trí miền cho phép người sử dụng vào thơng tin lần, giảm bớt sai sót xảy Người dùng thay đổi tính chất vật liệu tồn cách chỉnh sửa vật liệu; giá trị sử dụng cho khối mà sử dụng vật liệu Khi người sử dụng thiết lập mơ hình, áp đặt điều kiện biên tính chất vật liệu tốn sẵn sàng phân tích, sử dụng thuật tốn phân tích xây dựng Seep3D Seep3D chứa lời giải lặp mà tuyến tính, phi tuyến, ổn định, khơng ổn định phân tích thích hợp 11 Người sử dụng có kết cần từ số lượng lớn liệu phân tích 3D Chẳng hạn, xuất liệu sử dụng "kết mặt cắt" ngang qua miền cho thấy đường mức bề mặt (surface contours), vectơ dòng chảy đường dòng Cũng contour tham số vỏ bên miền, tạo mặt phẳng x-y xuất liệu sang Excel để phân tích sau 2.2 Nội dung phƣơng pháp phần tử hữu hạn 2.2.1 Hàm số hàm lượng chứa nước thể tích 2.2.2 Hàm số thấm 2.2.3 Quy luật dòng chảy 2.2.4 Các phương trình tổng qt 2.2.5 Hệ tọa độ 2.2.6 Các hàm nội suy 2.2.7 Các hàm số đạo hàm hàm nội suy: 2.3 Giải toán thấm chiều theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn 2.3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn Các phương trình phần tử hữu hạn nhận cách áp dụng phương pháp số dư trọng số Galerkin vào phương trình vi phân tổng quát (phương trình 2.11) là: ( 2.29 ) Phương trình PTHH viết tắt là: [ ]{ } [ ]{ } (2.30) { } 12 Trong đó: [K]: Ma trận đặc trưng phần tử = v [ ] [ ][ ] [Q] : Vector lưu lượng phần tử = = A 〈 〉 ] 〈 〉 Phương trình (2.29) phương trình PTHH tổng qt để phân tích q trình thấm khơng ổn định Đối với phân tích trạng thái ổn định cột nước khơng phải hàm số theo thời gian số hạng {M}, {H}, t biến phương trình PTHH rút gọn lại là: [K] {H} ={Q} 2.3.2 Phép tích phân theo thời gian 2.3.3 Tích phân số 2.3.4 Ma trận dẫn thủy lực 2.3.5 Ma trận khối lượng 2.3.6 Lưu lượng biên 2.3.7 Sắp xếp giải phương trình tổng quát 2.3.8 Sơ đồ giải lặp 2.3.9 Gradient vận tốc Khi lời giải hội tụ cột nước nút biết, Seep3D tính tốn Gradient thủy lực vận tốc dòng chảy Darcian điểm lặp lại phần tử Gradient điểm giải Gauss điểm tích phân tính tốn theo phương trình sau: { } [ ][ ] Vận tốc Seep3D thực tế vận tốc Darcian lưu lượng xác định với lưu lượng tổng chia tồn diện tích mặt cắt ngang (phần rỗng phần đặc); tốc độ thực mà nước chuyển động phần tử đất Vận tốc vi mơ thực vận tốc tuyến tính điểm tính tốn cách chia vận tốc Darcian cho hàm lượng thể tích chứa nước điểm 13 2.3.10 Lưu lượng dòng thấm Seep3D có khả tính tốn lượng thấm chảy qua bề mặt miền thấm Lưu lượng tính sử dụng phương trình phần tử hữu hạn { } [ ]{ } [ ] (2.43) Phương trình biết cột nước tổng, lưu lượng tất nút phần tử tính tốn dựa ma trận đặc trưng phần tử [K], ma trận khối lượng phần tử [M], bước thời gian lướt qua cột nước tổng bước thời gian trước Trong phân tích trạng thái ổn định, số hạng chứa [M] trở nên 0, phương trình giảm số còn: { } [ ]{ } (2.44) Lưu lượng nút giả thiết với việc cho lưu lượng dòng chảy mặt miền thấm Khi quy ước dấu, dấu dương thể lưu lượng vào hệ dòng chảy dấu âm thể lưu lượng hệ dòng chảy 2.3.11 Hàm vật liệu Seep3D sử dụng kỹ thuật nội suy spline trọng số để tạo trơn tru, độ dẫn liên tục hàm lượng chứa nước thể tích Ngồi để xác định hàm trơn tru liên tục, nội suy spline cung cấp đạo hàm bậc đường cong bất k điểm Vì tất hàm xấp xỉ ứng xử giới có thực nên thường thuận tiện để sử dụng giá trị liệu đo để định nghĩa hàm Những giá trị xuất cưa không phản ánh liệu đo cách xác Để khắc phục điều Geostudio cung cấp phương tiện kiểm soát cách mà đường cong nội suy trùng với điểm liệu Đối với 14 hàm, bạn vào "Fut Curve to Data (Smooth) percentage" "Curve Segments (Tension) percentage" gữa 100% Khi đường cong trùng xác (100 ) với điểm liệu, đường cong qua điểm Khi độ khớp đường cong giảm, hình dạng nội suy tiến đến đường thẳng mà qua gần với điểm Điều có ích bạn muốn xấp xỉ đường cong qua điểm liệu đo đuợc phòng thí nghiệm mà khơng có di chuyển điểm Khi đoạn cong cong (100 ) điểm đường cong định nghĩa đường cong tự nhiên Khi đoạn cong thẳng hơn, đoạn cong tiến đến đường thẳng điểm liệu Các đoạn cong thẳng giúp tránh "spline overshoot" (cực k lên đến đỉnh thung lũng đường cong) Nó cho phép bạn xác định "step" hàm mà có đoạn thẳng điểm liệu 2.4 Kết luận chương Mô hình Seep3D mơ hình tốn để mơ hình hóa dòng thấm Cùng với phát triển ngành công nghệ thông tin phương phần tử hữu hạn Seep3D trở thành công cụ mạnh lĩnh vực tính thấm khơng gian cho đập có điều kiện biên phức tạp Miền tính tốn Seep3D dựa khái niệm "các đối tượng" kết hợp với để tạo thành mơ hình Nhờ vậy, phần mềm chi tiết hóa miền tính tốn, đặc biệt vị trí có địa hình, địa chất điều kiện biên phức tạp 15 Chƣơng ỨNG DỤNG SEEP3D TÍNH THẤM KHƠNG GIAN QUA ĐẬP ĐẤT HỒ NƢỚC TRONG 3.1 Mơ tả cơng trình Dự án Hồ chứa nước Nước Trong [8] thuộc khu vực phía Bắc tỉnh Quảng Ngãi, nằm lưu vực Sông Trà Khúc gồm đất đai huyện: Tây Trà, Sơn Hà, Sơn Tịnh, thị xã Quảng Ngãi, Tư Nghĩa, Nghĩa Hành, Mộ Đức Hồ chứa nước Nước Trong dự kiến xây dựng sông Nước Trong, phụ lưu tả ngạn sơng Trà Khúc Cụm cơng trình đầu mối hồ chứa nước nằm địa bàn xã Sơn Bao huyện Sơn Hà, cách thị xã Quảng Ngãi khoảng 50 Km phía Tây, cách thị trấn Sơn Hà khoảng 10 Km phía Tây - Tây Bắc Vùng lòng hồ chứa gồm xã huyện Sơn Hà (Di Lăng Sơn Bao) xã huyện Tây Trà (Trà Phong, Trà Xinh, Trà Trung Trà Thọ) Vùng tuyến cơng trình đầu mối hồ chứa nước nằm đoạn sông, cách cửa vào suối Nước Nia khoảng Km hạ lưu, sau khuỷu sông chuyển hướng Đơng Bắc - Tây Nam dòng Đoạn tuyến nghiên cứu giai đoạn nằm vị trí có toạ độ khoảng: + 15º03’00” vĩ độ Bắc + 108º25’00” kinh độ Đơng Vùng lòng hồ gồm nhánh Nước Trong có hướng Tây Bắc nhánh phụ suối Nước Biếc có hướng Đơng Bắc suối Nước Nia có hướng Đơng-Tây nằm phạm vi toạ độ từ 15º03’ đến 15º09’40” vĩ độ Bắc, từ 108º19’48” đến 108º26’15” kinh độ Đông Vùng hưởng lợi dự án vùng hạ du sông Trà Khúc, bao gồm huyện thuộc khu tưới hệ thống thủy lợi Thạch Nham, khu công nghiệp Dung Quất thành phố Vạn Tường, nằm trung tâm vùng Bắc tỉnh Quảng Ngãi 3.2 Điều kiện địa hình địa mạo Địa hình tương đối phức tạp, lòng sơng suối hẹp, có độ dốc lớn, có vị trí có bụng hồ lớn, hai bên vách lũng sông suối dốc đứng Hệ phủ thực vật rừng nguyên sinh rậm rạp, cối đan dày, 16 nhiều tầng phủ xen kẽ nhau, rừng có nhiều vắt Sườn vách bờ sơng, suối dốc, phần lớn sườn có độ dốc 40o - 45o Đặc biệt sườn vách dòng đoạn thượng lưu gần có độ dốc lớn, 45o 3.3 Địa chất đập đất Địa tầng đập từ xuống gồm lớp: Lớp (1a): Hỗn hợp cát cuội sỏi màu xám vàng, xám trắng Cát chủ yếu hạt thơ đến trung, thành phần thạch anh, tập trung chủ yếu phần lớp Cuội sỏi có thành phần chsinh thạch anh,granit, gneiss biotit, hàm lượng tăng dần theo chiều sâu, nguồn gốc bồi tích (aQ) Lớp (3a): Đất sét nặng đến sét màu nâu vàng loang lổ đốm trắng, lẫn nhiều dăm sạn Trạng thái nửa cứng đến cứng, chặt vừa Hàm lượng dăm sạn khoảng 10-20%, thành phần dăm sạn chủ yếu thạch anh cứng Lớp có chiều dày từ 1-4m sườn đồi vai tuyến đập Nguồn gốc pha tích (dQ) Lớp (3b): Đất sét nặng đến trung lẫn nhiều dăm sạn, đá cục, có chỗ hỗn hợp dăm sạn sét, màu nâu vàng, xám nâu loang lổ Trạng thái dẻo cứng đến cứng, chặt vừa Hàm lượng dăm sạn từ 20-40 có nơi đến 50-60 , kích thước dăm sạn thay đổi mạnh từ 0,3-6cm có nơi đến >10cm Dăm sạn đá cục mảnh đá phong hoá sót lại mềm bở Nguồn gốc tàn tích(eQ) Khu vực đập đất nằm khu vực đầu mối, tiêu lý lớp đất đá đập sử dụng Tổng hợp tiêu lý đất khu vực đầu mối đập bê tông số hiệu No.331D-ĐC-ĐBT-10A Chỉ tiêu lý lớp đất nêu bảng PL3-1 Đá gốc Proterozoi-Phức hệ Ngọc Linh-Hệ tầng Tắc Pỏ (PR1tp2) Tập đặc trưng đá phiến thạch anh - silimanit granat xen kẹp với lớp mỏng quazit, gneis bioti - granat, granit gneis migmatit Đá màu xám đen, xám nâu, dải xám trắng Cấu tạo phân lớp, phân dải, kiến trúc hạt biến tính Mỗu sắc độ cứng thay đổi tùy theo mức độ phong hoá sau: 17 Đá phong hoá mạnh, màu xám nâu đến xám vàng vân nâu đỏ, đá tương đối mềm yếu, nứt nẻ mạnh, mặt nứt bị nhuốm ôxuyt sắt màu nâu xẫm, có khe nứt bị lấp đầy hạt sét Đới có tốc độ sóng địa chấn khoảng V = 1200-1600 m/s Đá phong hoá vừa màu xám nâu, nâu vàng, đá cứng, nứt nẻ trung bình, mức tưới độ 5-6 khe nứt.m dài nõn khoan, khe nứt xiên góc 20-45o đến 60-85o, mặt nhám phủ oxuyt sắt, măngan, bị lấp nhét canxit clorit Đới có tốc độ sóng địa chấn V = 16002000 m/s Đá phong hoá nhẹ với V = 2100-3200 m s đến tươi với V = 4500-5000 m s màu xám xanh, xám đen dải vân trắng đến xám trắng, cứng chắc, nứt nẻ ít, khe nứt kín, mảnh, bị lấp nhét canxit đơi chỗ gặp mạch thạch anh Đới đá phân bố rộng khắp khu vực nghiên cứu nằm độ sâu khảo sát Hình 1: Mặt Cắt H35 ngang đập trạng Hình 2: Cắt dọc Hố móng đập đất 3.4 Các tiêu thiết kế cơng trình: 3.5 Các bƣớc thiết lập mơ hình khai thác kết chạy mô 18 3.5.1 Trường hợp tính tốn Các trường hợp tính tốn ổn định đập đất, thời k tính tốn thấm ổn định có trường hợp tính tốn thấm trường hợp tính toán ổn định [9] Trong luận văn tác giả chọn trường hợp để nghiên cứu là: Trường hợp đặc biệt: MNTL MN lũ kiểm tra 131.66 m; MNHL 110m 3.5.2 Thiết lập mơ hình tính thấm Seep3D đập đất Hồ Nước Trong Đập đất Hồ Nước Trong có địa hình, địa chất thay đổi nhiều Bởi Seep3D mơ số hữu hạn khối phần tử hình dạng phần tử khơng đa dạng nên luận văn lập mơ hình mặt cắt điển hình H35 (theo hồ sơ hồn cơng) Với việc giả thiết dòng thấm mặt cắt thẳng góc trục đập lòng sơng (mặt cắt H35) hai chiều đứng (2DV), có nghĩa khơng có dòng thấm theo trục đập, mặt biên cho thông lượng thấm Với cách chọn mơ hình có tính chất trên, dòng thấm mơ hình thể sát dòng thấm thực tế Tiến hành thao tác Seep3D sau: Phác họa toán: Vào Solid Regions; Xem mơ hình: Vào View \ Regions; Khai báo tính chất vật liệu, đất nền: Vào Project \ Material để khai báo tính chất đất (hệ số thấm, hàm lƣợng chứa nước thể tích…) 3.5.3 Chia lưới miền tính tốn Đập chia lưới mơ hình SEEP 3D thể hình 3.2 Hình 2: Chia lưới mơ hình Sleep 3D đập đất Hồ Nước Trong 19 3.5.4 Điều kiện biên Chọn mặt chuẩn 0-0 trùng với cao trình 0.00 vẽ thiết kế cơng trình + Điều kiện biên chủ yếu: - Mặt biên thượng lưu: Cột nước H = Z + p/ɤ - Mặt biên hạ lưu: H1 = Z1 + p/ɤ Trong đó: Z: MN lũ kiểm tra Z = 131.66 m; Z1: MN phía hạ luu ứng với lưu lượng xả lũ kiểm tra Z1 = 0m; p: Áp suất mặt thoáng p = 0; ɤ: Trọng lượng riêng nước Cột nước thượng lưu (MNGC Kiểm tra): HTL = 131.66m HHL = 110 m Các mặt phía MNHL khai báo biên thấm mao dẫn (Potential Seepage): Bằng thời điểm t = + Điều kiện biên thứ yếu: Các mặt biên lại mơ hình: thơng lượng (flux = 0) Thao tác Seep3D: Vào Project \ Boundary Conditions để khai báo điều kiện biên toán; Xem điều kiện biên: View \ Boundary Conditions 3.5.4 Xem kết Hình 3: Kết chạy mơ hình SEEP 3D Kết chạy từ mơ hình SEEP 3D hình 3.3 Trong nội dung tác giả xuất kết mặt cắt chính: đứng, ngang thân đập Đối với mặt cắt song song với mặt đáy kết 20 từ hình 3.4 đến hình 3.6.Mơ hình xuất thông số như: tổng cột nước, cột nước áp suất, vận tốc thấm, gradient thấm theo phương Ở đậy tác giả đưa thông số đại diện độ thấm Hình 4:Tổng cột nước mặt cặt thân đập Hình 3.5 3.6 diện độ thấm theo phương x (Kx) theo phương Y (Ky) với hệ trục tọa độ, gốc tọa độ nằm Hệ số thấm phương x có giá trị khoảng 5.10-6 (m s) Đối với phương y nhỏ giá trị nằm 3.10-11 (m/s) Điều chứng tỏ hệ số thấm theo phương không giống Vì thật cần thiết phải mơ hình 3D để thấy khác biệt Hình 5: Hệ số thấm theo phương x Hình 6: Hệ số thấm theo phương y +Kết mơ hình mặt cắt dọc hình 3.7 21 Hình 7: Mặt cắt dọc thân đập +Tại mặt cắt đứng Kêt mặt cắt đứng minh họa hình 3.8 Hình 8: Kết mặt cắt đứng Nhận xét: Mô hinh SEEP 3D chi tiết mặt cắt theo phương x,y,z Đây thuận lợi thiết kế mặt cắt ngang đập đất 3.6 Kết tính thấm 2D số mặt cắt điển hình gian qua đập đất Hồ Nƣớc Trong (Kế thừa từ tính tốn ổn định thấm cơng ty Hec 1) Kết tính tốn với mơ hình chiều phần mềm SEEP/W mặt cắt ngang trường hợp minh họa từ hình Hình 9: Đường bão hòa lưu lượng thấm qua mặt cắt đậpTH1 22 Hình 10: Hệ số ổn định mái HL –TH3 Tổ hợp đặc biệt TL (MNLKT); HL(MN ~QTK) Nhận xét: Kết tính ổn định mái hạ lưu đập TH1,2,3,4 H35 hệ số ổn định lớn hệ số ổn định tối thiểu cho phép (theo TCXDVN 285:2002) [K] = 1,15 Điều chứng tỏ mái đập ứng với trường hợp tính tốn an tồn 3.7 So sánh mơ hình Seep3D mơ hình 2D (Seep/W) Như phân tích trên, tác giả tiến hành so sánh đường bão hòa thấm, mặt cắt H35 từ kết tính thấm mơ hình Seep3D mơ hình 2D (Seep W) Ứng với mực nước kiểm tra lớn 131,66m Đường bão hòa mơ hình 3D gần tương đồng với mơ hình 2D nhiên phía thượng lưu đường bão hòa mơ hình 3D nằm so với mơ hình 2D sai số nhỏ phần phía hạ lưu dẫn đến hệ số ổn định mô hình 3D lớn mơ hình 2D Hình 11: Kết tính ổn định mái hạ lưu đập MC-H35 (theo mơ hình 2D) 3.8 Kết luận chƣơng Ứng dụng mơ hình Seep3D giải tốn thấm không gian qua đập đất Hồ chứa nước Nước Trong với điều kiện địa hình, địa chất điều kiện biên phức tạp Kết mơ hình vừa cho ta nhìn trực quan cụ thể dòng thấm qua đập 23 Kết luận văn so sánh kết tính thấm từ mơ hình Seep3D mơ hình 2D (Seep W) cho thấy: mặt cắt H35 (có tương đồng điều kiện biên) đường bão hòa mơ hình Seep3D tương đồng với mơ hình 2D, có phần hạ lưu có sai số mơ hệ thống nước phức tạp mơ hình 3D đường bão hòa phần thượng lưu nằm thấp so với mơ hình 2D Vì đập có điều kiện biên phức tạp thiết kế cần phải tính khơng gian để lựa chọn kích thước mặt cắt hợp lý KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu thấm không gian qua đập đất cơng trình Hồ chứa nước Nước Trong tác giả rút kết luận sau: + Việc tính thấm theo mơ hình 3D cần thiết cho thiết kế đập đất + Các phương pháp tính thấm cổ điển: tính thấm theo phương pháp học chất lỏng; theo phương pháp thủy lực… áp dụng cho tốn hai chiều, với điều kiện địa hình, địa chất đơn giản kết tính tốn có sai số định Phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng tính thấm cho tốn hai chiều cho kết tốt điều kiện địa hình địa chất phức tạp biến đổi lớn theo phương dòng thấm, phương lại biến đổi Phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng tính thấm cho tốn khơng gian gần mơ tả đầy đủ dòng thấm thực qua đập đất, nên kết thõa mãn yêu cầu thực tế + Trong phạm vi nghiên cứu, tác giả tính tốn thấm khơng gian (3D) cho đập đất Hồ Nước Trong cho thấy: đường bão hòa theo mơ hình SEEP 3D thể chi tiết tương đồng với mơ hình 2D, nhiên đường bão hòa phía hạ lưu có sai số nhỏ việc mơ hệ thống nước SEEP 3D phức tạp phía thượng lưu đường bão hòa nằm thấp sai số nhỏ so với mô hình 2D điều dẫn đến hệ số ổn định tăng Kết thấm theo tiết Vì thiết kế đập đất điều kiện trên, cần dựa vào kết tính thấm ba chiều để đánh giá mức 24 độ thấm không gian dòng thấm định cần thiết tính thấm khơng gian cho phần tồn cơng trình với mơ hình hợp lý để đánh giá đầy đủ tác dụng dòng thấm cơng trình; dùng kết tính thấm khơng gian để điều chỉnh mặt cắt ngang đập thiết kế cho hợp lý KIẾN NGHỊ Đối với mặt cắt ngang phức tạp, cần mơ tả xác q trình mơ cải thiện cách chia lưới để kết tính xác Mở rộng phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu dòng thấm dị hướng qua đật đất ... PHÁP ĐẢM BẢO ỔN ĐỊNH HỒ CHỨA 1.1 Tổng quan đập vật liệu địa phƣơng (VLĐP) 1.1.1 Tổng quan đập đất giới 1.1.2 Tổng quan đập đất, hồ chứa Việt Nam Việt Nam nước có nhiều hồ chứa Theo điều tra dự án... số ổn định mơ hình 3D lớn mơ hình 2D Hình 11: Kết tính ổn định mái hạ lưu đập MC-H35 (theo mơ hình 2D) 3.8 Kết luận chƣơng Ứng dụng mơ hình Seep3D giải tốn thấm khơng gian qua đập đất Hồ chứa nước. .. lòng hồ chứa gồm xã huyện Sơn Hà (Di Lăng Sơn Bao) xã huyện Tây Trà thành lập (Trà Phong, Trà Xinh, Trà Trung Trà Thọ) Hồ chứa nước Nước Trong Hình 1: Hồ chứa nước Nước Trong - Tỉnh Quảng Ngãi