Nghiên cứu thấm không gian qua đập đất của công trình thượng kon tum

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN DƢ NGHIÊN CỨU THẤM KHÔNG GIAN QUA ĐẬP ĐẤT CỦA CƠNG TRÌNH THƢỢNG KON TUM LUẬN VĂN THẠC SĨ Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN DƢ NGHIÊN CỨU THẤM KHÔNG GIAN QUA ĐẬP ĐẤT CỦA CƠNG TRÌNH THƢỢNG KON TUM Chun ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số: 8580202 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hƣớng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Thế Hùng Đà Nẵng – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Dƣ MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan đập đất 1.2 Tổng quan dòng thấm đập đất 1.2.1 Ảnh hƣởng dòng thấm đập đất 1.2.2 Thấm phẳng thấm không gian qua đập đất 1.3 Tình hình giải tốn thấm 1.3.1 Tình hình giải tốn thấm nƣớc ngồi [3] 1.3.2 Tình hình giải toán thấm nƣớc 1.4 Kết luận chƣơng Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA SEEP3D - GIẢI BÀI TỐN THẤM KHƠNG GIAN BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 2.1 Giới thiệu mơ hình Seep3D 2.2 Nội dung phƣơng pháp phần tử hữu hạn 2.2.1 Hàm số hàm lƣợng chứa nƣớc thể tích 2.2.2 Hàm số thấm 11 2.2.3 Quy luật dòng chảy 12 2.2.4 Các phƣơng trình tổng quát 13 2.2.5 Hệ tọa độ 15 2.2.6 Các hàm nội suy 17 2.2.7 Các hàm số đạo hàm hàm nội suy 18 2.3 Giải toán thấm chiều theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn 21 2.3.1 Các phƣơng trình phần tử hữu hạn 21 2.3.2 Phép tích phân theo thời gian 22 2.3.3 Tích phân số 22 2.3.4 Ma trận dẫn thuỷ lực 25 2.3.5 Ma trận khối lƣợng 27 2.3.6 Lƣu lƣợng biên 28 2.3.7 Sắp xếp giải phƣơng trình tổng quát 28 2.3.8 Sơ đồ giải lặp 29 2.3.9 Gradien vận tốc 30 2.3.10 Lƣu lƣợng dòng thấm 31 2.3.11 Hàm vật liệu 31 2.4 Kết luận chƣơng 32 Chƣơng ỨNG DỤNG SEEP3D TÍNH THẤM KHƠNG GIAN QUA ĐẬP ĐẤT THƢỢNG KON TUM 33 3.1 Mô tả cơng trình [9] 33 3.2 Điều kiện địa hình [9] 33 3.3 Điều kiện địa chất [9] 34 3.4 Các tiêu thiết kế cơng trình [9] 34 3.5 Các bƣớc thiết lập mơ hình khai thác kết chạy mô 37 3.5.1 Trƣờng hợp tính tốn 37 3.5.2 Thiết lập mơ hình tính thấm Seep3D đập Thƣợng Kon Tum 37 3.5.3 Chia lƣới miền tính tốn 40 3.5.4 Điều kiện biên 40 3.5.5 Phân tích mơ hình 41 3.5.6 Xem kết 43 3.6 Kết tính thấm không gian qua đập đất Thƣợng Kon Tum 44 3.6.1 Đƣờng bão hòa mặt cắt điển hình 44 3.6.2 So sánh đƣờng bão hịa mơ hình Seep3D 2D (Seep/W) 50 3.6.3 Kết tính tốn ổn định mái hạ lƣu từ kết tính thấm Seep3D 51 3.6.4 So sánh ổn định mái hạ lƣu mơ hình Seep3D 2D (Seep/W) 53 3.7 Kết luận chƣơng 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55 KẾT LUẬN 55 KIẾN NGHỊ 55 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN 57 TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU THẤM KHƠNG GIAN QUA ĐẬP ĐẤT CỦA CƠNG TRÌNH THƢỢNG KON TUM Học viên: Nguyễn Dƣ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số: 60.58.02.02 Khóa: K33 Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Dịng thấm đập đất nói chung phức tạp, vị trí tiếp giáp với sƣờn đồi, tràn xả lũ, cống lấy nƣớc thƣờng thấm không 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 thƣờng sử dụng mơ hình tốn hai chiều đứng (2DV) gọi thấm phẳng, giải theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM), để tính tốn cho mặt cắt đại diện đập đất [1] Tuy nhiên, việc tính tốn thấm theo mơ hình hai chiều đứng số trƣờng hợp điều kiện địa hình, địa chất mơ hình chƣa phản ánh dịng thấm thực tế, đập cao, có tỷ số chiều dài (L) chiều cao (H) từ ÷ [2] Kết tính tốn để thiết kế có khả gây cố cơng trình, lãng phí Vì cần thiết phải nghiên cứu dịng thấm khơng gian qua đập đất (3D) số trƣờng hợp đập đất có điều kiện địa hình, địa chất đặc biệt, để đánh giá ảnh hƣởng dịng thấm đến an tồn cơng trình nhƣ hiệu kinh tế; từ đƣa kiến nghị tính tốn thiết kế đập đất Từ khóa: Thấm không gian, thấm hai chiều đứng, đập đất, phƣơng pháp phần tử hữu hạn STUDY ON DIMENSIONAL SEEPAGE THROUGH EARTH DAM OF ATOP KON TUM CONSTRUCTION Abstract - In general, seepage in the earth dam is really complex, especially at the locations which are contacted to hillsides, spillways, culverts is usually 3D seepage Seepage has intimately relation to the conditions of topology, geology and hydrology In present design calculation of earth dam, seepage calculation is normally used dimensional vertical model (2DV), which is solved according to finite element method (FEM) for computation of typical cross sections of earth dam However, this model has not reflexed correctly the real seepage, especially in the high dam with the ratio between the dam length (L) and the dam height (H) from to The result of design calculation has ability of causing the incidents or increasing the budget This thesis, the author studies 3D seepage of Atop Kon Tum earth dam, in special topology and geology, to evaluate their impacts on the dam safety and economic effective Since then, proposals of the study are given in earth dam design Key words - Dimensional seepage, two-dimensional vertical seepage, earth dam, finite element method DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 2D thấm hai chiều 3D thấm ba chiều MNDBT mực nƣớc dâng bình thƣờng MNDGCKT mực nƣớc dâng gia cƣờng kiểm tra MNDGCTK mực nƣớc dâng gia cƣờng thiết kế MNTL mực nƣớc thƣợng lƣu MNHL mực nƣớc hạ lƣu MC mặt cắt PT phƣơng trình PTHH phần tử hữu hạn TH trƣờng hợp DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Hệ thống số nút tọa độ địa phƣơng phần tử hình lục giác 15 Bảng 2.2 Các hàm nội suy cho phần tử hình lục giác 17 Bảng 2.3 Vị trí điểm mẫu trọng số phần tử lục giác điểm 24 Bảng 2.4 Vị trí điểm mẫu trọng số phần tử lục giác 27 điểm 24 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 : Đƣờng bão hòa khu mao dẫn Hình 1.2 : Sơ đồ thấm phẳng thấm không gian đập đất Hình 2.1: Các đối tƣợng đƣợc kết hợp với Seep3D Hình 2.2: Dạng tổng quát hàm số hàm lƣợng chứa nƣớc thể tích 10 Hình 2.3: Hàm số hàm lƣợng chứa nƣớc cát (sand) đất sét (silt) 11 Hình 2.4: Quan hệ hàm dẫn thủy lực áp lực nƣớc lỗ rỗng 12 Hình 2.5: Các hệ tọa độ địa phƣơng tổng thể phần tử hình lục giác 15 Hình 2.6: Định nghĩa tham số ma trận dẫn thủy lực 26 Hình 2.7: Tính tốn mw 27 Hình 3.1: Vị trí đập đất Thƣợng Kom Tum (Nguồn Google Eath) 33 Hình 3.2: Cắt dọc đập đất Thƣợng Kom Tum [9] 35 Hình 3.3: Mặt đập đất Thƣợng Kom Tum [9] 36 Hình 3.4: Giao diện mơ hình tính thấm Seep3D 38 Hình 3.5: Mặt cắt dọc mơ hình tính thấm Seep3D đập Thƣợng Kon Tum 39 Hình 3.6: Mặt cắt ngang mơ hình tính thấm Seep3D đập Thƣợng Kon Tum 39 Hình 3.7: Mơ hình tính thấm Seep3D đập Thƣợng Kon Tum 39 Hình 3.8: Chia lƣới mơ hình tính thấm Seep3D đập Thƣợng Kon Tum 40 Hình 3.9: Biên mơ hình tính thấm Seep3D đập Thƣợng Kon Tum 41 Hình 3.10: Phân tích mơ hình tính thấm Seep3D đập Thƣợng Kon Tum 42 Hình 3.11: Xem kết ResultPlane 43 Hình 3.12: Xem kết ResultLine 43 Hình 3.13: Xem kết ResultPoint 44 Hình 3.14: Cao độ đƣờng bão hịa MC-D2 mơ hình Seep3D 45 Hình 3.15: Biểu diễn đƣờng bão hịa MC-D2 modun Seep/W 45 Hình 3.16: Cao độ đƣờng bão hịa MC-D4 mơ hình Seep3D 46 Hình 3.17: Biểu diễn đƣờng bão hòa MC-D4 modun Seep/W 46 Hình 3.18: Cao độ đƣờng bão hịa MC-D6 mơ hình Seep3D 47 Hình 3.19: Biểu diễn đƣờng bão hòa MC-D6 modun Seep/W 47 Hình 3.20: Cao độ đƣờng bão hịa MC-D8 mơ hình Seep3D 48 Hình 3.21: Biểu diễn đƣờng bão hịa MC-D8 modun Seep/W 48 Hình 3.22: Cao độ đƣờng bão hịa MC-D10 mơ hình Seep3D 49 Hình 3.23: Biểu diễn đƣờng bão hòa MC-D10 modun Seep/W 49 Hình 3.24: Đƣờng bão hịa MC-D10 tính mơ hình 2D (Seep/W) 50 Hình 3.25: Đƣờng bão hịa MC-D10 từ kết tính mơ hình 50 Hình 3.26: Kết tính ổn định mái hạ lƣu đập MC-D2 51 Hình 3.27: Kết tính ổn định mái hạ lƣu đập MC-D4 51 Hình 3.28: Kết tính ổn định mái hạ lƣu đập MC-D6 52 Hình 3.29: Kết tính ổn định mái hạ lƣu đập MC-D8 52 Hình 3.30: Kết tính ổn định mái hạ lƣu đập MC-D10 53 Hình 3.31: Kết tính ổn định mái hạ lƣu đập MC-D10 (theo mơ hình 2D) 53 Một số hình ảnh đập đất Thƣợng Kom Tum 58 -44- Hình 3.13: Xem kết ResultPoint 3.6 Kết tính thấm khơng gian qua đập đất Thƣợng Kon Tum 3.6.1 Đường bão hịa mặt cắt điển hình Seep3D cho ta kết mặt bão hòa mơ hình Muốn khai thác đƣờng bão hịa cho mặt cắt ngang đập ta dùng ResultPlane ResultLine để trích xuất kết Trong luận văn tác giả trình bày kết trích xuất mặt cắt D2, D4, D6, D8 D10; Tác giả trích xuất tọa độ đƣờng bão hòa cho mặt cắt mơ hình Seep3D gắn tọa độ vào mơ hình 2D (Seep/W) để trực quan dùng tính tốn ổn định mái đập sau Kết nhƣ sau: -45- Hình 3.14: Cao độ đường bão hịa MC-D2 mơ hình Seep3D Hình 3.15: Biểu diễn đường bão hịa MC-D2 modun Seep/W -46- Hình 3.16: Cao độ đường bão hịa MC-D4 mơ hình Seep3D Hình 3.17:Biểu diễn đường bão hịa MC-D4 modun Seep/W -47- Hình 3.18: Cao độ đường bão hịa MC-D6 mơ hình Seep3D Hình 3.19: Biểu diễn đường bão hòa MC-D6 modun Seep/W -48- Hình 3.20: Cao độ đường bão hịa MC-D8 mơ hình Seep3D Hình 3.21: Biểu diễn đường bão hịa MC-D8 modun Seep/W -49- Hình 3.22:Cao độ đường bão hịa MC-D10 mơ hình Seep3D Hình 3.23:Biểu diễn đường bão hòa MC-D10 modun Seep/W Nhận xét: Mặt bão hịa tính theo Seep3D mặt cắt vai đập (mặt cắt D2, D4, D6 D8); phía biên hạ lƣu thấp mặt đất tự nhiên Trƣớc tính tốn theo mơ hình 2D khó khăn để xác định biên hạ lƣu cho trƣờng hợp (các mặt cắt mà hạ lƣu khơng có nƣớc) -503.6.2 So sánh đường bão hịa mơ hình Seep3D mơ hình 2D (Seep/W) Để tiến hành so sánh đƣờng bão hịa mơ hình Seep3D mơ hình 2D (Seep/W), tác giả chọn mặt cắt D10 lý biên tốn phía thƣợng lƣu hạ lƣu giống Tác giả tính tốn đƣờng bão hịa mặt cắt D10 mơ hình 2D (Seep/W) Kết phù hợp với hồ sơ thiết kế cơng trình [9] đƣợc duyệt Cụ thể nhƣ sau: Hình 3.24:Đường bão hịa MC-D10 tính mơ hình 2D (Seep/W) Biểu diễn hai đƣờng bão hòa đồ thị để so sánh: Hình 3.25: Đường bão hịa MC-D10 từ kết tính mơ hình Nhận xét: Tại mặt cắt D10 đƣờng bão hịa mơ hình Seep3D cao mơ hình 2D (Seep/W) Ngun nhân mơ hình Seep3D mặt cắt D10 thấm khơng gian, cịn mơ hình 2D (Seep/W) thấm phẳng hồn tồn Tuy -51nhiên, để đánh giá ảnh hƣởng dịng thấm mơ hình tính ổn định mái đập ta cần phải tính ổn định mái để đƣa kết luận 3.6.3 Kết tính tốn ổn định mái hạ lưu từ kết tính thấm Seep3D Hình 3.26: Kết tính ổn định mái hạ lưu đập MC-D2 Hình 3.27: Kết tính ổn định mái hạ lưu đập MC-D4 -52- Hình 3.28: Kết tính ổn định mái hạ lưu đập MC-D6 Hình 3.29: Kết tính ổn định mái hạ lưu đập MC-D8 -53- Hình 3.30:Kết tính ổn định mái hạ lưu đập MC-D10 Nhận xét: Kết tính ổn định mái hạ lƣu đập mặt cắt D2, D4, D6, D8 D10 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 phạm vi thiết lập mô hình để nghiên cứu, ứng với trƣờng hợp tính tốn đảm bảo an toàn 3.6.4 So sánh ổn định mái hạ lưu mơ hình Seep3D mơ hình 2D (Seep/W) Nhƣ phân tích mục 3.6.2, tác giả tiến hành so sánh hệ số ổn định mái hạ lƣu mặt cắt D10 từ kết tính thấm mơ hình Seep3D mơ hình 2D (Seep/W) Kết tính ổn định mái hạ lƣu mặt cắt D10 từ kết tính thấm mơ hình 2D (Seep/W) nhƣ sau: Hình 3.31: Kết tính ổn định mái hạ lưu đập MC-D10 (theo mô hình 2D) -54Nhận xét: Tại mặt cắt D10 hệ số ổn định mái hạ lƣu mơ hình Seep3D nhỏ mơ hình 2D (Seep/W) Ngun nhân mơ hình Seep3D mặt cắt D10 đƣờng bão hịa dâng cao mơ hình 2D (Seep/W) 3.7 Kết luận chƣơng Ứng dụng mơ hình Seep3D giải tốn thấm khơng gian qua đập Thƣợng Kom Tum với điều kiện địa hình, địa chất điều kiện biên phức tạp Kết mơ hình vừa cho ta nhìn trực quan cụ thể dịng thấm qua đập Luận văn so sánh kết tính thấm từ mơ hình Seep3D mơ hình 2D (Seep/W) cho thấy: mặt cắt D10 (giống điều kiện biên) đƣờng bão hịa mơ hình Seep3D dâng cao hơn; hệ số ổn định giảm xuống Vì đập có điều kiện biên phức tạp thiết kế cần phải tính khơng gian để lựa chọn kích thƣớc mặt cắt hợp lý -55- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu thấm không gian qua đập đất công trình Thƣợng Kon Tum tác giả rút kết luận sau: + Nghiên cứu giải tốn thấm khơng gian qua đập đất có biên phức tạp (nền có nhiều lớp địa chất, đập nhiều khối, vùng đập nối tiếp với bờ cơng trình khác nhƣ tràn, cống ) vấn đề cấp thiết công tác thiết kế, thi công vận hành đập đất Nƣớc ta xây dựng ngày nhiều hồ chứa nƣớc nhằm đáp ứng nhu cầu lƣợng, cấp nƣớc, phịng lũ ngày cao cần thiết kế nhiều đập đất Vì vậy, vấn đề nghiên cứu thấm không gian qua đập đất trở nên cần thiết cấp bách + Các phƣơng pháp tính thấm cổ điển: tính thấm theo phƣơng pháp học chất lỏng; theo phƣơng 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 Phƣơng pháp hần tử hữu hạn áp dụng tính thấm cho toán hai chiều cho kết tốt điều kiện địa hình địa chất phức tạp biến đổi lớn theo phƣơng dịng thấm, phƣơng cịn lại biến đổi Phƣơng pháp phần tử hữu hạn áp dụng tính thấm cho tốn khơng gian gần nhƣ mơ tả đầy đủ đƣợc dòng thấm thực qua đập đất, nên kết thõa mãn yêu cầu thực tế + Trong phạm vi nghiên cứu, tác giả tính tốn thấm không gian (3D) cho đập đất Thƣợng Kon Tum cho thấy: mặt bão hòa dòng thấm dâng cao lịng sơng; kiểm tra ổn định mặt cắt hệ số ổn định mái hạ lƣu thấp thấm phẳng (2D) Vì thiết kế đập đất điều kiện nhƣ trên, cần dựa vào kết tính thấm ba chiều để đánh giá mức độ thấm khơng gian dịng 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 Trong trƣờng hợp đập đất cao (Hmax > 25 m) tỉ số chiều dài đập (L) với Chiều cao đập (H) nhỏ 5; có địa hình, địa chất phức tạp (đập nhiều khối), cần thiết phải tính thấm khơng gian để có sở lựa chọn mặt cắt hợp lý -56- DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thế Hùng, Trần Thị Kim Liên Huỳnh Triều Dƣơng, “Nghiên cứu dòng thấm chiều qua đập đất,” Hội thảo Việt - Pháp: An tồn cơng trình đê đập nhỏ, Đà Nẵng [2] Hoàng Văn Thanh, Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Geoslope tính thấm khơng gian qua đập đất Sông Trâu, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, 2006 [3] Lê Thị Nhật, Nghiên cứu giải tốn thấm khơng gian cho đập vật liệu địa phƣơng có biên phức tạp, Hà Nội: Luận án tiến sĩ kỹ thuật, 2003 [4] Đồng Thái, "93 đập lớn có tƣợng thấm," http://nongnghiep.vn, 2017 [5] Nguyễn Thế Hùng, Phƣơng pháp phần tử hữu hạn chất lỏng, Nhà xuất Xây dựng, 2004 [6] Ngơ Trí Viền; Nguyễn Chiến; Nguyễn Văn Mạo; Nguyễn Văn Hạnh; Nguyễn Cảnh Thái, Giáo trình thủy cơng, Hà Nội: Nhà xuất Xây dựng, 2004 [7] Trịnh Trọng Hàn, Sổ tay KTTL (phần - CTTL, tập 1) [8] Huỳnh Triều Dƣơng, Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Geoslope để tính tốn dịng thấm chiều qua đập đất, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, 2010 [9] Báo cáo kinh tế kỹ thuật, Công ty Cổ phần tƣ vấn xây dựng Điện 1, 2013 [10] Bộ KH&CN, TCVN 8216-2009: Thiết kế đập đất đầm nén, 2009 [11] Tổng cục Thủy lợi, “Báo cáo cơng tác quản lý an tồn hồ chứa nƣớc,” Hà Nội, 2015 [12] Bộ NN&PTNT, Phụ lục 7: Khung sách an tồn đập dự án DRSIP [13] Trần Thị Kim Liên, Ứng dụng phần mềm Geoslope tính thấm khơng gian qua đập dâng An Trạch để xác định đƣờng viền hợp lý cơng trình, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, 2010 [14] Bin Lincense, SEEP 3D, GEO - SLOPE International Ltd, 2004 -57- QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN -58- Một số hình ảnh cơng trình đập thƣợng Kon Tum Một số hình ảnh đập đất Thượng Kom Tum ... luận kiến nghị: Chương - Tổng quan: Tổng quan đập đất, ảnh hƣởng dòng thấm đập đất, thấm phẳng thấm không gian qua đập đất Tình hình nghiên cứu giải tốn thấm nƣớc đập đất Những vấn đề tồn mà luận... KơngPlơng, tỉnh Kon Tum Phạm vi nghiên cứu: Dịng thấm không gian, ổn định qua đập đất Thƣợng Kon Tum sông Đak Nghé Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu luận văn nghiên cứu sở lý thuyết... 1.1 Tổng quan đập đất 1.2 Tổng quan dòng thấm đập đất 1.2.1 Ảnh hƣởng dòng thấm đập đất 1.2.2 Thấm phẳng thấm không gian qua đập đất 1.3 Tình hình giải tốn thấm