Nghiên cứu lựa chọn giải pháp chống thấm cho nền đập hồ chứa khuôn vố bắc giang

LỜI CẢM ƠN Tác giả luận văn xin cảm ơn sâu sắc thầy giáo hướng dẫn GS.TS.Lê Kim Truyền hướng dẫn bảo tận tình suốt trình thực luận văn tốt nghiệp Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo tham gia giảng dạy khóa cao học 18 trường Đại học Thủy lợi tận tình hướng dẫn truyền đạt cho tri thức khoa học quý giá Tác giả xin cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Thủy lợi, khoa Sau đại học Bộ mơn Xây dựng Cơng trình thủy tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt cơng việc nghiên cứu khoa học Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ, đơng viên, khích lệ để luận văn tốt nghiệp hoàn thành tốt đẹp TÁC GIẢ LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu trích dẫn trung thực Các kết nghiên cứu luận văn chưa người công bố cơng trình khác./ Kiều Văn Hải MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Trong xây dựng cơng trình thủy lợi, thủy điện cơng tác xử lý chống thấm cho cơng trình thường khơng thể thiếu Việc chống thấm cho thường phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố tự nhiên, giải pháp kỹ thuật công nghệ thi công Trong xu hướng phát triển kỹ thuật xây dựng nói chung xử lý nói riêng có nhiều tiến bộ, nhiều giải pháp ứng dụng mang lại hiệu cao Việc nghiên cứu lựa chọn giải pháp thích hợp với đặc điểm địa chất móng công nghệ thi công mang lại hiệu kinh tế kỹ thuật cao Với cơng trình hồ chứa Khn Vố tỉnh Bắc Giang có đặc điểm địa chất phức tạp móng tuyến đập đặt đới đá phong hóa mạnh đến phong hóa vừa phong hóa nhẹ yêu cầu chống thấm cho phải tạo màng chống thấm đập, kéo dài đường thấm nhằm hạn chế thấm đới đá đồng thời giảm bớt áp lực thấm lên đáy móng cơng trình Việc lựa chọn giải pháp cho phù hợp với đặc điểm tự nhiên, kết cấu công trình mang lại hiệu kinh tế bảo đảm điều kiện kỹ thuật cho cơng trình Mục đích đề tài: Nghiên cứu tổng quan giải pháp chống thấm cho cơng trình điều kiện ứng dụng giải pháp Đề xuất lựa chọn giải pháp chống thấm cho đập hồ chứa Khuôn Vố Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu tài liệu liên quan dến giải pháp chống thấm cho cơng trình Kế thừa kết nghiên cứu chống thấm cho cơng trình Kết dự kiến đạt được: Nắm tổng quan phương pháp xử lý chống thấm cho cơng trình điều kiện ứng dụng Đề xuất giải pháp chống thấm cho đập hồ chứa Khuôn Vố CHƯƠNG NGUYÊN NHÂN PHÁT SINH VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA DỊNG THẤM DƯỚI ĐÁY MĨNG CƠNG TRÌNH 1.1 Mở đầu Khi xây dựng cơng trình đất yếu đá phong hóa thường cơng trình tiếp xúc với đất nền, hai bên vai cơng trình phận thường loại thấm nước, trừ cơng trình đặt đá tốt xử lý phần tiếp giáp theo quy trình kỹ thuật Để bảo đảm cho cơng trình ổn định không bị nước phải xử lý chống thấm tốt, trước hết phải tìm nguyên nhân phát sinh dịng thấm để có giải pháp phù hợp với diều kiện tự nhiên đạt yêu cầu kỹ thuật, giá thành hạ 1.2 Nguyên nhân phát sinh dịng thấm đáy móng cơng trình Khi cơng trình làm việc, tạo chênh lệch mực nước thượng hạ lưu Nước di động qua kẽ rỗng đất hai bên vai cơng trình tạo thành dịng thấm Đối với cơng trình mơi trường xung quanh, dịng thấm gây ảnh hưởng bất lợi sau: - Làm nước từ hồ chứa; - Gây áp lực lên phận cơng trình giới hạn miền thấm (bản đáy, tường chắn ); - Mất ổn định cơng trình: xói nền, xói vai đập…; - Có thể làm biến hình đất hai vai, đặc biệt khu vực dịng thấm ra, dẫn đến sụt lún, nghiêng, lật cơng trình; - Dịng thấm hai bên vai cơng trình hạ lưu làm lầy hoá khu vực rộng, làm ảnh hưởng đến ổn định bờ điều kiện lại, sản xuất hạ lưu cơng trình Dịng thấm môi trường đất rỗng chia thành loại: 1.2.1 Dịng thấm có áp Khi bị giới hạn từ phía biên cứng, dịng thấm khơng có mặt thống; chuyển động dịng thấm giống nước chảy ống có áp Đây trường hợp xét dịng thấm đáy cơng trình 1.2.2 Dịng thấm khơng áp Khi khơng bị giới hạn từ phía cơng trình Đây trường hợp dịng thấm hai bên vai cơng trình, dịng thấm qua đập đất Giới hạn phía dịng thấm mặt thống hay mặt bão hồ, có áp suất áp suất khí trời 1.3 Những vấn đề dịng thấm đáy móng cơng trình Nhiệm vụ nghiên cứu dịng thấm tìm quy luật chuyển động phụ thuộc vào hình dạng, kích thước phận cơng trình biên dòng thấm; xác định đặc trưng phân bố áp lực thấm lên phận cơng trình, phân bố gradien thấm miền thấm, trị số lưu lượng thấm Trên sở tính tốn này, người thiết kế chọn hình thức, kích thước, cấu tạo hợp lý cơng trình, đảm bảo điều kiện làm việc an tồn ( ổn định trượt, ngăn ngừa biến hình nền…) tính kinh tế phương án chọn Vấn đề nghiên cứu dòng thấm từ lâu thu hút quan tâm nhà khoa học giới Vào kỷ 18 có cơng trình nghiên cứu Lơmơnơxơv, Becnoulli, Euler Từ năm 1856, Darcy tiến hành nghiên cứu thực nghiệm tìm định thấm tuyến tính mà ngày gọi định luật thấm Darcy Những thành tựu bật lý thuyết thấm công bố tác phẩm Jucovxki(1898), Pavlovxki(1922) Đóng góp vào phát triển phương pháp thủy lực lý thuyết thấm có cơng Duypuy, Cơzeny, Aravin, Numerov, Ughintrux, Trugaev nhiều nhà khoa học khác Việc giải toán thấm phương pháp thủy lực đạt kết phong phú cho sơ đồ toán phẳng thấm có áp Với tốn thấm khơng có áp giải cho số sơ đồ đơn giản Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ phương pháp số cơng cụ máy tính, nói chung giải toán thấm với biên cho toán phẳng tốn khơng gian, thấm ổn định không ổn định… 1.4 Những nhân tố ảnh hưởng đến dịng thấm đáy móng cơng trình Một vấn đề quan cần phải giải thiết kế cơng trình thủy lợi dự báo chế độ hệ thống cơng trình – Sự phức tạp toán thể chỗ: cần phải tính đến hàng loạt yếu tố tác động như: địa hình, điều kiện địa chất cơng trình; đặc thù kết cấu cơng trình biện pháp kết cấu chống thấm thân cơng trình; khả dao động mực nước thượng hạ lưu… Độ xác xác định tính chất thấm loại đất thân đập đất Mặc dù, có nhiều thành tựu phát triển phương pháp phương tiện kỹ thuật nhằm xác định tính chất lý đất, có kết cấu địa tầng phức tạp, giá trị tính tốn thơng số dịng thấm phụ thuộc vào tương tác hệ số thấm lớp đất nền.Việc hồn thiện nghiên cứu thấm cơng trình cần gắn với việc cải thiện phương pháp khảo sát địa chất cơng trình nói chung việc xác định tính chất đất nói riêng 1.5 Các mơ hình tính tốn thấm đáy móng cơng trình 1.5.1 Tính thấm phương pháp giải tích 1.5.1.1 Phương pháp học chất lỏng Phương pháp Viện sĩ N.N Pavlôpxki khởi xướng đạt lời giải xác cho số tốn thấm có biên đơn giản Trong toán thấm phẳng, gọi h hàm số cột nước thấm, ta có: h = h (x, y) (1.1) Trong môi trường thấm với giả thiết nêu phần trên, phương trình vi phân dòng thấm là: ∂2 h ∂2 h + = ∂x ∂y (1.2) Với cơng cụ tốn học hàm giải tích biến phức z = x + iy, tác giả tìm vị phức dịng thấm số tốn đơn giản Chuyển động dịng thấm mô tả lưới thấm gồm họ đường: - Đường đẳng thế, gọi tắt đường thế, tập hợp điểm có cột nước h (h = const) - Đường dòng quỹ đạo chuyển động hạt nước miền thấm 1.5.1.2 Phương pháp học chất lỏng gần Với đường viền thấm phức tạp có 2, hay nhiều hàng cừ, Pavlôpxki dùng phương pháp phân đoạn để giải gần tốn thấm Sau Trugaep phát triển thành phương pháp hệ số sức kháng, đưa cơng thức giải tích để tính hệ số sức kháng cho đoạn Viện sĩ Lavrenchiep đề xuất phương pháp biến đổi cừ, dẫn đến bảng tra để xác định áp lực thấm điểm đặc trưng đường viền thấm 1.5.1.3 Phương pháp tỷ lệ đường thẳng Vài nét lịch sử: Khi phương pháp học chất lỏng chưa phát triển người ta dùng phương pháp tỷ lệ đường thẳng (TLĐT) để giải tốn thấm qua cơng trình Phương pháp Blai đề xướng dựa tài liệu quan trắc từ cơng trình thực tế Ơng cho dọc theo tia dòng (đường viền thấm cơng trình), độ dốc thuỷ lực khơng thay đổi, khơng phụ thuộc vào hình dạng đường viền thấm (có cừ hay khơng có cừ) Từ giả thiết này, vẽ biểu đồ áp lực thấm lên đáy cơng trình, tính gradien lưu tốc thấm bình qn tồn miền thấm Trong q trình giải toán thấm, dựa vào quan trắc tỷ mỉ trình tổn thất cột nước thấm dọc theo đường dòng đầu tiên, Len phát đoạn đường viền thẳng đứng, mức độ tiêu hao cột nước thấm lớn so với đoạn đường viền nằm ngang Từ Len đề xuất việc cải tiến phương pháp Blai để kết thu phù hợp với thực tế Ngày có nhiều phương pháp tính thấm, phương pháp TLĐT cịn sử dụng trường hợp sau: - Đối với cơng trình nhỏ, tầng thấm mỏng, đường viền thấm đơn giản: giải theo phương pháp TLĐT cho kết xác theo yêu cầu kỹ thuật - Đối với cơng trình lớn: thường dùng phương pháp TLĐT để sơ kiểm tra chiều dài đường viền thấm trước vào tính tốn theo phương pháp xác - Đối với cơng trình đá: thường áp dụng phương pháp để tính tốn áp lực thấm lên đáy cơng trình 1.5.2 Tính thấm phương pháp sử dụng lưới thấm 1.5.2.1 Khái niệm lưới thấm Trong môi trường đồng nhất, đẳng hướng, lưới thấm hình thành hai họ đường cong trực giao Các đường cong thể hình ảnh chuyển động hạt nước môi trường thấm - Đường dòng: biểu diễn quỹ đạo phần tử nước chuyển động miền thấm; - Đường (gọi tắt đường đẳng hay đường đẳng cột nước): tập hợp điểm có cột nước thấm Trên hình 2-7a thể lưới thấm vẽ xong, đường viền thấm đáy cơng trình đường dịng (A-M); mặt tầng khơng thấm đường dịng cuối (I-I) Đường đáy sơng (kênh) phía thượng lưu (OA) đường đầu tiên; đường đáy thoát nước hạ lưu (MN) đường cuối Phần miền thấm đường dòng kề gọi ống dòng; phần miền thấm đường kề gọi dải Jr a) b) H 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 Hình 1.1: Sơ đồ tính thấm phương pháp lưới a) Lưới thấm; b) Biểu đồ gradien thấm J r R Hai họ đường dòng đường tạo thành lưới có mắt lưới hình vng cong Tại vị trí mà đường dịng, đường gần sát vào nơi có dòng thấm mạnh (gradien thấm lớn); ngược lại, vị trí có đường dịng, đường thưa nơi có dịng thấm yếu Lưới thấm phụ thuộc vào dạng hình học miền thấm mà khơng phụ thuộc vào hệ số thấm, cột nước, chiều dòng thấm, kích thước tuyệt đối cơng trình 1.5.2.2 Các phương pháp xây dựng lưới thấm Để xây dựng lưới thấm, sử dụng phương pháp khác nhau: a) Phương pháp giải tích: Viết phương trình họ đường dịng, đường thế, nêu mục Phương pháp áp dụng số sơ đồ miền thấm đơn giản b) Phương pháp thí nghiệm tương tự điện (EGĐA) Phương pháp dựa sở tương tự hình thức phương trình mơ tả dịng thấm phương trình dịng điện mơi trường dẫn điện Viện sĩ Pavlôpxki nghiên cứu dùng máy EGĐA để vẽ lưới thấm cho dạng miền thấm khác Phương pháp có ưu điểm bảo đảm mức xác cao, giải trường hợp miền thấm phức tạp, môi trường thấm không đồng nhất, khơng đẳng hướng, tốn thấm khơng gian c) Phương pháp thí nghiệm mơ hình khe hẹp: Dựa tương tự hình thức phương trình mơ tả dịng thấm mơi trường thấm với phương trình mơ tả dịng chảy tầng chất lỏng nhớt khe hẹp kính, Aravin thiết lập biểu thức tương quan loại chuyển động Trong thí nghiệm, dùng tia màu để đánh dấu đường dòng dùng suy diễn (theo tính chất trực giao lưới thấm) để vẽ họ đường Do khó khăn kỹ thuật thực hành, phương pháp mơ hình khe hẹp chưa ứng dụng rộng rãi d) Phương pháp vẽ lưới tay: Dựa vào đặc điểm lưới thấm mơ tả mục 1, vẽ lưới thấm tay cho miền thấm phẳng, đồng đẳng hướng Cách thức thực vẽ sửa dần đạt lưới thấm trực giao có mắt lưới hình vng cong Mức độ xác phương pháp phụ thuộc vào trình độ kinh nghiệm người vẽ, nói chung đạt độ xác u cầu tốn kỹ thuật 1.5.3 Tính thấm phương pháp số Xuất phát từ phương trình điều kiện biên, sử dụng phương pháp số để tìm đặc trưng dịng thấm Thường sử dụng phương pháp phương pháp sai phân phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) 1.5.31 Phương pháp sai phân Miền thấm chia thành hình chữ nhật có kích thước ô lưới a x b hình 1.2 x, y+b b x - a, y x, y b x+a, y x, y - b a a a Hình 1.2: Sơ đồ lưới sai phân Các đại lượng vi phân dh, dx, dy chuyển thành đại lượng sai phân tương ứng ∂ h, ∂ x, ∂ y Những đạo hàm riêng cấp cấp hai ∂h ∂h , , ∂x ∂y ∂2h ∂2h ∂x ∂y , ... thuật cho cơng trình Mục đích đề tài: Nghiên cứu tổng quan giải pháp chống thấm cho cơng trình điều kiện ứng dụng giải pháp Đề xuất lựa chọn giải pháp chống thấm cho đập hồ chứa Khuôn Vố Cách... trình hồ chứa nước Đầm Hà Động - Quảng Ninh lựa chọn giải pháp xử lý chống thấm kết hợp biện pháp: - Chống thấm cho đê qy để thi cơng móng đập tường nghiêng sân phủ - Chống thấm cho thân đập đào... pháp nghiên cứu: Nghiên cứu tài liệu liên quan dến giải pháp chống thấm cho cơng trình Kế thừa kết nghiên cứu chống thấm cho công trình Kết dự kiến đạt được: Nắm tổng quan phương pháp xử lý chống