Đang tải... (xem toàn văn)
- Nghiên cứu hiệu quả, tác dụng chống thấm của SCT trong bài toán thấm 3D với sự hỗ trợ của hệ phần mềm Visual Modflow cho phép so sánh, lựa chọn, tối ưu hóa các thông số kỹ[r]
(1)NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CHIỀU RỘNG CỦA SÂN CHỐNG THẤM BẰNG MƠ HÌNH BÀI TỐN THẤM CHIỀU
BÙI VĂN TRƢỜNG*
Effect of width of waterproofing courtyard in dimensional model Abstract: For the waterproofing courtyard of dams, 2D problem often does not take into account of the its width and can lead to incorrect results This paper presents the analysis and evaluation of technical efficiency of waterproof courtyard in 3D seepage problem for a concret project and find out that the effectiveness of waterproofing courtyard depends not only on the length all so on the its width That contributed to the orientation for the calculation and design work to ensure more effective
Keywords: Waterproofing courtyard, influence width, seepage dimensional
1 ĐẶT VẤN ĐỀ*
Sân phủ chống thấm - sân trước (SCT) giải pháp sử dụng phổ biến xây dựng cơng trình thuỷ lợi, thuỷ điện SCT xây dựng phía thượng lưu (hình 1) vật liệu có tính thấm nhỏ SCT làm đất sét, pha sét (Ks <10-6cm/s), màng địa kỹ thuật chống thấm GCL, HDPE (hình 2) có K=10-11-10-13 cm/s (Nguyễn Đình Hùng, 2008), bê tơng asphan, bê tơng thường BTCT (TCVN9143:2012) SCT có tác dụng kéo dài đường thấm, tăng sức cản thấm xuyên lớp đất phía thượng lưu, giảm lưu lượng áp lực dịng thấm cơng trình, nhờ ngăn chặn tác động bất lợi dịng thấm
Hình 01 Sân phủ chống thấm (I)
*
Khoa Cơng trình - Đại học Thủy lợi 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội
DĐ: 0912135769; Email: buitruongtb@gmail.com
Hình 02 Màng địa kỹ thuật chống thấm GCL & HDPE Hiệu chống thấm SCT không phụ thuộc vào chiều dài (Ls), chiều dầy (ts) sân mà
còn phụ thuộc quan trọng vào chiều rộng (Bs) SCT Nếu SCT có chiều rộng nhỏ hẹp, dịng thấm vịng hai bên SCT vơ hiệu hóa tác dụng chống thấm SCT
Tuy nhiên, thiết kế SCT, tác dụng chống thấm SCT thường tính toán theo toán phẳng (2D) Chiều dài (Ls), chiều dày (ts) sân xác định theo công thức
(2)Để có nhìn nhận đầy đủ, rõ ràng trực quan vấn đề này, cần phân tích, đánh giá so sánh hiệu SCT có chiều rộng (Bs) chiều dài (Ls) khác toán thấm 3D
Với mục đích đó, cơng trình đê Tả sơng Hồng, đoạn từ K142145 lựa chọn nghiên cứu Nền cơng trình có tầng thấm nước mạnh thơng nước với sông Trong lịch sử xảy nhiều cố, điển hình thảm hoạ vỡ đê K143.2 vào tháng năm 1945
2 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT NỀN CƠNG TRÌNH Nền cơng trình bao gồm lớp (Bùi Văn Trường, 1993, 2009):
- Lớp 1: Sét pha, dẻo mềm; - Lớp 2: Sét pha, kẹp cát, chảy;
- Lớp 3: Cát hạt nhỏ, chặt vừa-xốp; - Lớp 4: Bùn sét pha
Đặc trưng lý lớp đất trình bày bảng 01
Như vậy, cấu trúc đê, lớp & lớp đất thuộc tầng phủ thấm nước yếu
Nằm tầng phủ lớp cát hạt nhỏ, chặt vừa÷xốp có tính thấm mạnh Lớp bị sơng đào cắt, nên có quan hệ thủy lực trực tiếp với nước sơng Khi có nước lũ về, mực nước sơng dâng cao, gia tăng áp lực thấm lên tầng phủ làm phát sinh biến dạng thấm (BDT) gây ổn định đê
Trong điều kiện đó, SCT giải pháp xử lý (GPXL) nghiên cứu lựa chọn
Bảng 01 Đặc trung lý lớp đất
3 MƠ HÌNH BÀI TỐN THẤM D 3.1 Cơ sở lý thuyết mơ hình phƣơng pháp giải
Để xây dựng MH toán thấm 3D cho khu vực cơng trình, sử dụng phần mềm Visual Modflow phiên 4.2.0.151 Mỹ Phần mềm có tính đại, linh hoạt, cho phép mơ đầy đủ tính chất, hình thái môi trường hợp phần hệ thống
Sử dụng phần mềm với hỗ trợ hệ phần mềm Surfer, Mapinfor cho phép mơ hình hóa hệ thống tự nhiên - kỹ thuật (TNKT), bao gồm hệ thơng cơng trình, SCT GPXL theo tốn 3D Mơ hình cho
phép xác định thông số trường thấm thời điểm vị trí khu vực, từ tính tốn, dự báo; phân tích, đánh giá hiệu kỹ thuật SCT GPXL thuận tiện xác
a Mơ hình tốn học
Sự biến đổi độ cao mực nước (MN) đất h(x, y, z) mơ tả phương trình đạo hàm riêng sau:
t h S W z h K z y h K y x h K
x xx yy zz s
(1)
trong đó:
Kxx, Kyy, Kzz - hệ số thấm theo hướng x,
(3)h - cốt cao MN vị trí (x,y,z) thời điểm t; W - module dòng ngầm, phụ thuộc thời gian vị trí khơng gian (x,y,z);
Ss - hệ số nhả nước đơn vị (1/m)
Phương trình (1) mơ tả động thái nước đất (NDĐ) môi trường không đồng dị hướng (Todd D.K, 1980) Phương trình (1) với điều kiện biên, điều kiện ban đầu tạo thành MH tốn học dịng thấm
b Phương pháp giải
Trong thực tế, miền thấm có điều kiện phức tạp, (1) giải sai phân hữu hạn Với phương pháp này, môi trường thấm chia thành lớp Mỗi lớp lại chia thành ô nhỏ Từ thiết lập hệ phương trình có số phương trình tương ứng với số lưới Giải lặp hệ phương trình xác định h(x, y, z) thời điểm (t) môi trường thấm
3.2 Cơ sở tài liệu mơ hình
Mơ hình xây dựng sở tổng hợp tài liệu số liệu địa hình, địa hình đáy sơng; tài liệu khảo sát ĐCCT-ĐCTV đê theo đề án; số liệu quan trắc MNDĐ năm 2003, 2004; số liệu thuỷ văn trạm Nhật Tảo; số liệu khí tượng trạm Thái Bình, Nam Định; tài liệu đề tài, dự án liên quan (Bùi Văn Trường, 2009)
3.3.Xây dựng mơ hình tốn thấm
- Mơ hình hóa bề mặt địa hình
Từ tài liệu đo vẽ địa hình khu vực, địa hình đáy sơng, sử dụng phần mềm Surfer Mỹ số hoá đồ địa hình nền, xây dựng đồ bề mặt địa hình 3D để đưa vào MH
- Mơ hình hóa lớp đất
Trên sở tài liệu địa chất đê, cơng trình đê, , tiến hành lập đồ đẳng đáy, đồ đẳng bề dày lớp đất để mô lớp đất MH
- Tính thấm, giá trị bổ cập bốc hơi
Từ số liệu ĐCTV tiến hành phân vùng MH hoá độ nhả nước, xây dựng sơ đồ phân vùng hệ số thấm TCN để đưa vào MH Lượng mưa, bốc
hơi tính tốn MH xác định theo số liệu quan trắc trạm Thái Bình, Nam Định
- Điều kiện biên mơ hình
Sơng đào cắt vào TCN, có quan hệ thuỷ lực trực tiếp với NDĐ nên đặt biên loại III (biên sông “River”) Diễn biến MN biên sông xác định theo tài liệu quan trắc trạm thuỷ văn Nhật Tảo Nam Định (Trung tâm khí tượng thủy văn Quốc gia, 2008)
Mơ hình tốn thấm 3D khu vực đê Tả sơng Hồng K142145 thể hình 03 & hình 04
Hình 03 Mơ hình tốn thấm 3D khu vực đê Tả sông Hồng K142145
3.4 Chỉnh lý mơ hình
a Kết toán chỉnh lý ổn định
Độ tin cậy MH đánh giá sai số trung bình (ME), sai số trung bình tuyệt đối (MAE), sai số trung bình quân phương (RMS) sai số trung bình quân phương tiêu chuẩn (NRMS) Kết toán chỉnh lý trình bày bảng 02 & hình 05
Kết cho thấy phù hợp với điều kiện tự nhiên kết quan trắc MNAL đê
Bảng 02 Kết tính tốn sai số mực nƣớc theo toán chỉnh lý ổn định
ME (m)
MAE (m)
RMS (m)
NRMS (%)
(4)Hình 04 Sơ đồ điều kiện biên lưới sai phân trong mơ hình
Hình 05 Tương quan MN tính tốn với quan trắc theo tốn chỉnh lý ổn định b Kết chỉnh lý không ổn định
Bảng 03 Sai số mực nƣớc theo kết tốn chỉnh lý khơng ổn định Thời
điểm
ME (m)
MAE (m)
RMS (m)
NRMS (%)
ĐL1 0.002 0.009 0.010 0.36
CL1 0.002 0.009 0.009 0.89
ĐL2 0.002 0.009 0.010 0.62
CL1 0.005 0.016 0.018 1.77
Điều kiện biên thông số MH chỉnh lý qua bước thời gian Độ tin cậy MH
phản ánh qua sai số tương quan cốt cao MN MH với mực nước quan trắc thực tế lỗ khoan thời điểm đỉnh lũ (ĐL1), chân lũ (CL1), đỉnh lũ (ĐL2), chân lũ (CL2) thể bảng 03, hình 06 & hình 07
Hình 06 Tương quan MN tính tốn với quan trắc theo tốn chỉnh lý khơng ổn định
Hình 07 Biến đổi MN tính toán quan trắc theo toán chỉnh lý khơng ổn định 3.5 Kết mơ hình
(5)
a b
Hình 08 Bản đồ đẳng cao trình mực nước áp lực đê thời điểm BBĐIII (a), ĐL (b) chưa có SCT
4 CÁC KỊCH BẢN NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ TÍNH TỐN
4.1 Các kịch tính tốn SCT
Sau xây dựng MH toán thấm 3D cho cơng trình Để phân tích, đánh giá cụ thể hiệu SCT, MH hố, tính tốn SCT mơ hình D theo kịch với chiều rộng (Bs) chiều dài (Ls) khác
a Các kịch SCT có chiều dài khác
Các kịch này, SCT có chiều rộng Bs = 1000m, có chiều dài Ls sau:
- Kịch 1-1: Ls = 50 m; - Kịch 1-2: Ls = 100 m; - Kịch 1-3: Ls = 200 m
b Các kịch SCT có chiều rộng khác
Trong kịch này, SCT có chiều dài Ls = 200m, có chiều rộng Bs khác nhau:
- Kịch 2-1: Bs = 100 m; - Kịch 2-2: Bs = 500 m; - Kịch 2-3: Bs = 1000m 4.2 Kết tính tốn
Kết tính tốn MH theo kịch SCT với trường hợp mực nước báo động I, II, II (BĐI, BĐII, BĐIII), đỉnh lũ (ĐL), sau đỉnh lũ ngày (SDDL2), sau đỉnh lũ ngày (SĐL4) với biến đổi MN trận lũ lịch sử tháng 8/1996 thể cụ thể bảng 04, hình 09 hình 10
Bảng 04 Biến đổi mực nƣớc áp lực đáy tầng phủ vị trí chân đê phía đồng với SCT có chiều rộng (Bs) chiều dài (Ls) khác
Mức lũ
Cao trình mực nước áp lực (Htt, m)
Chưa có sân chống
thấm
Ls = 50m, Bs = 1000m
Ls = 100m, Bs = 1000m
Ls = 200m, Bs = 1000m
Ls = 200m, Bs = 500m
Ls = 200m, Bs = 100m
BĐI 3.29 3.13 2.95 2.79 2.82 3.13
BĐII 3.64 3.43 3.17 2.90 2.96 3.44
BĐIII 4.36 4.10 3.72 3.29 3.43 4.13
ĐL 4.52 4.24 3.84 3.37 3.52 4.28
SĐL2 4.68 4.43 4.02 3.52 3.70 4.48
(6)Hình 09 Biến đổi cao trình mực nước áp lực đáy tầng phủ thấm nước yếu vị trí chân đê
khi SCT có chiều dài (Ls) khác
Hình 10 Biến đổi cao trình mực nước áp lực đáy tầng phủ thấm nước yếu vị trí chân đê
khi SCT có chiều rộng (Bs) khác
5 PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦ TƢỜNG CHỐNG THẤM
Từ kết tính tốn bảng 04, hình 09 & hình 10 cho thấy:
- Ở kịch 1-1, 1-2, 1-3: Khi tăng chiều dài LS SCT, mực nước áp lực
(MNAL) đáy tầng phủ (Htt) giảm tương ứng
với mức độ tăng chiều dài san (bảng 04 & hình 09), đường biến đổi MNAL theo thời gian (t) với SCT có Ls = 50m, 100m, 200m cách (hình 09)
- Ở kịch 2-1, 2-2, 2-3: Khi giữ nguyên chiều dài Ls, giảm chiều rộng Bs, áp lực thấm tăng nhanh, đường biến đổi Htt theo thời gian SCT
có chiều rộng Bs = 100m nằm gần đường MNAL chưa có SCT nằm cao nhiều đường biến đổi MNAL (Htt) chiều rộng SCT Bs
=500m, 1000m (hình 10)
Điều cho thấy rõ, hiệu SCT giảm chiều dài sân giảm; chiều rộng sân giảm, hiệu SCT giảm, SCT không đủ rộng (kịch 2-1) SCT gần có hiệu thấp (hình 10)
Từ kết MH, chập đồ đẳng cao trình MNAL thực tế (Htt) kịch
SCT với đồ đẳng cao trình MNAL cho phép (Hcf), dễ dàng xác định phạm vi có nguy
cơ phát sinh BDT ứng với kịch Tổng hợp loạt đồ dự báo BDT theo kịch cho phép thành lập đồ dự báo nguy phát sinh BDT cho kịch SCT
Đây tranh trực quan, hiệu SCT theo kịch có chiều dài (Ls) chiều rộng (Bs) khác thể rõ phạm vi BDT xử lý SCT (hình 11 hình 12): Với SCT có chiều rộng Bs nhau, sân dài LS=50m xử lý 6%
diện tích (SXL) so với diện (S) khơng có
SCT, với LS = 100m SXL= 11%, LS = 200m
SXL= 33% (hình 11) Trong trường hợp SCT có
chiều dài nhau, sân rộng BS = 100m
giảm SXL= 4%, với BS = 500m giảm
được SXL=22% (hình 12)
Các kết nêu chứng tỏ chiều rộng SCT có ảnh hưởng lớn đến hiệu SCT Nếu SCT có chiều rộng khơng phù hợp SCT có chiều dài lớn, ảnh hưởng dịng thấm vịng, SCT có tác dụng thấp Đây điều cần lưu ý tính tốn thiết kế xử lý BDT giải pháp SCT
(7)Hình 12 So sánh hiệu SCT có chiều rộng (Bs) khác
6 KẾT LUẬN
- Hiệu kỹ thuật, khả chống thấm SCT không phụ thuộc vào chiều dài (Ls) sân mà phụ thuộc quan trọng vào chiều rộng (Bs) SCT Chiều dài chiều rộng SCT giảm hiệu chống thấm SCT giảm SCT đạt hiệu cao có chiều rộng chiều dài phù hợp SCT hẹp có hiệu thấp, chí khơng có tác dụng Đây vấn đề cần lưu ý thiết kế SCT
- Nghiên cứu hiệu quả, tác dụng chống thấm SCT toán thấm 3D với hỗ trợ hệ phần mềm Visual Modflow cho phép so sánh, lựa chọn, tối ưu hóa thơng số kỹ thuật SCT thuận tiện, xác Để đảm bảo an tồn cho cơng trình phát huy tối đa hiệu SCT, thiết kế xây dựng SCT cần tính tốn kiểm tra thơng số thiết kế SCT theo MH toán thấm 3D
TÀI LIỆU TH M KHO
1.Nguyễn Đình Hùng, Nguyễn Tiến Đạt (2008),
ứng dụng màng Địa kỹ thuật chống thấm, Tạp chí Tài nguyên n-ớc, (1-2008), tr.26-31
2.Phan Sỹ Kỳ (2000), Sự cố số công
trình thuỷ lợi Việt Nam biện pháp phịng tránh, Nxb Nơng Nghiệp, Hà Nội
3.Trung tâm khí tượng thủy văn Quốc gia (2008), Số liệu quan trắc thủy văn trạm Nhật Tảo,
trạm Triều Dương, trạm Nam Định, Hà Nội 4.Bùi Văn Trường (1993), Báo cáo địa chất
cơng trình đê Tả Hồng hà I, từ Km142,2÷Km145, Thái Bình
5.Bùi Văn Trường, Phạm Văn Tỵ (2008), Biến dạng thấm đê sơng tỉnh Thái Bình số kết nghiên cứu, Báo cáo tuyển tập cơng trình khoa học, Hội thảo khoa học tồn quốc “Tai biến địa chất giải pháp phòng chống”, Hà Nội
6.Bùi Văn Trường (2009), Nghiên cứu biến
dạng thấm đê hạ du sông Hồng địa phận tỉnh Thái Bình đánh giá thực nghiệm giải pháp xử lý, Luận án tiến sĩ kỹ thuật , Hà Nội
7.Bùi Văn Trường (2013), Cơ chế phá hủy
thấm đê hạ du sơng Hồng, Tạp chí Địa kỹ thuật, số 4-2013, Hà Nội
8.TCVN 8253:2012, Cơng trình thủy lợi -
Nền cơng trình thủy cơng - u cầu thiết kế 9.TCVN 9143:2012, Cơng trình thủy lợi - Tính tốn đường viền thấm đất đập không phải đá
10.Todd D.K (1980), Groundwater hydrology, John Wiley & Sons, New York chichester Bribane Toronto
11.Waterloo Hydrogeologic, Visual Modflow 4.2.0.151, Canada