IV. Nội dung của Luận văn
2.3.4. Các đặc trưng sóng tràn theo con sóng
2.3.4.1: Lượng tràn trên con sóng:
Ở các phần trước chúng ta đã đề cập đến các phương pháp xác định lưu lượng tràn trung bình thời gian dùng cho các mục đích thiết kế. Trong tự nhiên sóng tràn là một quá trình không liên tục (gián đoạn) và mang tính ngẫu nhiên rất cao, không phải con sóng nào cũng tràn qua đê và với lưu lượng tràn rất khác nhau theo từng con sóng. Do đó lưu lượng tràn trung bình thời gian không thể đặc trưng đầy đủ cho lượng nước tràn theo một con sóng qua đê. Hình 2.14 là một ví dụ lấy từ kết quả nghiên cứu của Schüttrumpf và Oumeraci (2005), minh họa sự khác biệt rõ rệt giữa lưu lượng tràn trung bình thời gian và lưu lượng tràn trong một con sóng đơn lẻ. Đây chính là lý do mà người ta đưa ra khái niệm lượng tràn trên con sóng. Lượng tràn trên con sóng được dùng trong tính toán ổn định kết cấu khi mà lưu lượng tràn trung bình thời gian không đem lại độ tin cậy cần thiết.
Hình 2.14: Quá trình lưu lượng tràn con sóng và lưu lượng tràn trung bình (Theo Schüttrumpf và Oumeraci, 2005)
TAW (2002) cho rằng lưu lượng tràn theo con sóng tuân thủ luật phân bố thống kê Weibull với hệ số hình dạng bằng 0.75 và hệ số tỷ lệ a phụ thuộc vào lưu lượng tràn trung bình thời gian và xác suất sóng tràn trên con sóng. Hàm phân bố xác suất sóng tràn trên con sóng như sau:
0.75 P(V V)= 1- exp v V p a = ≤ − (2.10) 1 0.84T qm ov a P =
Trong đó PV là xác suất mà thể tích sóng tràn trên một con sóng V nhỏ hơn hoặc bằng V (m3/m), q là lưu lượng tràn trung bình thời gian (m3/s/m), Tm là chu kỳ sóng, Pov = Nov/N là xác suất sóng tràn trên con sóng, Nov là số con sóng tràn, N là số con sóng trong bão (N.Tm là thời gian bão hoặc là khoảng thời gian xem xét).
Pov được xác định như sau, giả thiết rằng sóng leo tuân thủ phân bố Rayleigh : 2 2 2% 2% exp ln 0.02 c exp 1.98 c ov u u R R p R R = − − = − (2.11)
Lượng sóng tràn V ứng với xác suất vượt quá PV: [ ]4/3
ln(1 v)
V = −a −P (2.12)
Lượng sóng tràn lớn nhất trên con sóng Vmax được ước lượng như sau: [ ]4/3
ax ln( )
m ov
V = −a N (2.13)
Các biểu thức (2.10) đến (2.12) chính là cơ sở cho việc thiết kế máy xả sóng dùng cho thí nghiệm hiện trường kiểm tra sức chịu tải của mái đê (Van der Meer, 2006) sẽ được đề cập đến ở một chuyên đề nghiên cứu khác của đề tài.
2.3.4.2: Dòng chảy sóng tràn trên đỉnh đê:
Ngoài lưu lượng tràn qua đê, chế độ dòng chảy sóng tràn trên đỉnh đê và mái phía trong cũng là vấn đề đang được quan tâm nghiên cứu hiện nay. Dòng chảy sóng tràn có thể gây xói lở và làm mất ổn định đỉnh đê và mái phía trong nếu như các kết cấu này không được bảo vệ thích hợp. Do vậy tính chất của dòng chảy này
có ý nghĩa quan trọng trong việc tính toán thiết kế và kiểm tra sức chịu tải của đê chịu sóng tràn.
Hình 2.15. Sơ đồ tính toán chế độ dòng chảy (vận tốc, độ sâu) sóng tràn trên đỉnh đê và mái phía trong (Schüttrumpf và Oumeraci, 2005)
Schüttrumpf (xem Schüttrumpf, 2001 và Schüttrumpf và Oumeraci, 2005) đã tiến hành thí nghiệm mô hình sóng tràn trong máng sóng với đê với nhiều độ dốc mái trong và ngoài khác nhau. Thí nghiệm đã được thiết kế sao để vận tốc và độ sâu dòng chảy sóng tràn trên đỉnh đê và mái phía trong có thể được đo đạc một cách chi tiết. Dựa trên những kết quả của thí nghiệm này kết hợp với các phân tích lý thuyết Schüttrumpf và Oumeraci (2005) đã đưa ra một hệ thống công thức bán kinh nghiệm cho phép xác định độ sâu và vận tốc dòng chảy sóng tràn trên đỉnh đê và dọc theo mái trong (xem Hình 2.15).
Tuấn và các cộng sự (2006) thấy rằng việc sử dụng lưu lượng tràn trung bình cho các mục đích tính toán ổn định và diễn biến hình thái là không phù hợp. Vì vậy, dựa trên các quan sát và đo đạc thực nghiệm sóng tràn các tác giả đã miêu tả tính chất gián đoạn và cường độ sóng tràn trên đỉnh đê theo phương pháp tương tự quá trình sóng tràn (event-based approach). Theo đó quá trình lưu lượng tràn trên đỉnh đê được biểu diễn thông qua biểu đồ dạng tam giác (xem Hình 2.16).
Hình 2.16: Quá trình lưu lượng và tính chất gián đoạn của sóng tràn trên đỉnh đê (Tuấn và nnk, 2006)
Để đặc trưng cho tính chất gián đoạn và cường độ sóng tràn Tuấn và các cộng sự (2006) đã đưa ra một số khái niệm và thông số sóng tràn mới như : Lưu lượng tràn trung bình tức thì qcd, thời gian tràn tương đối Fcd, độ lệch sóng tràn,... Các tham số này là hàm số của các điều kiện biên thủy lực và hình học mái đê phía biển.
2.4: Thấm- Ổn định của đê biển khi có nước tràn qua:
2.4.1: Tầm quan trọng tính thấm qua đê biển khi có nước tràn qua:
Thấm có một ý nghĩa rất lớn trong việc xây dựng và khai thác những công trình bờ biển, thủy lợi. Riêng đối với thấm qua đập đất (đê biển) lại càng có ý nghĩa quan trọng. Đê biển là một công trình chắn nước và làm bằng đập vật liệu địa phương xốp, đê biển chịu tác dụng của cột nước và hình thành dòng thấm đi xuyên qua thân đập và nền gây những tác hại lớn và tính bền vững của công trình.
Đặc biệt đối với những đê biển làm bằng vật liệu địa phương khi có nước tràn qua đỉnh đê vấn đề bền vững của đê lại càng phải quan tâm. Do đó trong thiết kế và xây dựng đê biển vấn đề nghiên cứu đánh giá những đặc trưng cơ bản của dòng thấm là một khâu quan trọng và không thể thiếu được.
Mục đích nghiên cứu thấm qua đê biển nhằm giải quyết những vấn đề sau: Xác định lưu lượng nước thấm qua thân đê nền và bờ để đánh giá tổn thất nước. Trên cơ sở đó sẽ quyết định những hình thức chống thấm cho thân đập và nền.
+ Xác định vị trí của đường bão hòa để bố trí vật liệu xây dựng thân đập và đánh giá sự ổn định của mái dốc hạ lưu. Việc xác định vị trí của đường bão hòa còn
có mục đích lựa chọn hình thức thoát nước thích hợp cùng kích thước của nó nhằm nâng cao ổn định mái dốc hạ lưu.
+ Tính toán gradient thấm để đánh giá mức độ xói ngầm chung và xói ngầm cục bộ nhằm xác định kích thước hợp lý của thân đập của những kết cấu chống thấm, thoát nước và thành phần của tầng lọc ngược.
Thấm qua thân đập là thấm không áp nhưng thấm qua nền mang tính chất thấm có áp cho nên khi nghiên cứu thấm qua thâm đập đất không chỉ có thể áp dụng các định luật cơ bản về lý thuyết thấm mà dùng cả những phương pháp tính thấm.
2.4.2: Các phương pháp tính thấm:
Phương pháp nghiên cứu thấm qua thân đập đất cũng như những trường hợp nghiên cứu thấm nước trong môi trường rỗng nói chung thường bằng hai con đường: Lý luận và thực nghiệm:
2.4.2.1: Nghiên cứu lý luận: dùng hai phương pháp để nghiên cứu cơ học chất lỏng và thủy lực học. và thủy lực học.
+ Phương pháp cơ học chất lỏng: Phương pháp này dùng toán học làm công cụ để xác định những đặc trưng của dòng thấm như lưu lượng, lưu tốc, gradient, áp lực, đường bão hòa…tại bất kỳ vị trí nào trong môi trường thấm. Do khi tính toán không đưa vào nhiều những giả thuyết cho nên phương pháp cơ học chất lỏng cho thấy kết quả chính xác. Tuy vậy, phương pháp này chỉ sử dụng được những trường hợp bài toán cơ sơ đồ đơn giản, khi gặp những sơ đồ phức tạp nghĩa là điều kiện ban đầu và điều kiện biên phức tạp thì cách giải này gặp nhiều khó khăn về mặt toán học và trong nhiều trường hợp gần như là bế tắc. Gần đây do sự phát triển của công nghệ khoa học và toán học cho phép sử dụng mô hình thấm phần tử hữu hạn trong modun Seep/W, phương pháp Bishop trong modun Slope/w để tính toán ổn định mái dốc, phương pháp bishop trugaep để kiểm tra ổn định thấm toàn bộ, phương pháp biển đồ VX Ixtomina để kiển tra xói ngầm thông thường.
+ Phương pháp thủy lực học: Phương pháp này cho những đặc trưng trung bình của dòng thấm cho nên mức độ chính xác của phương pháp thủy học còn kém chính xác hơn vì phải dựa vào một số tiên đề, một số giả thuyết nhất định. Tuy
nhiên cách này có thể giải được những trường hợp phức tạp trong thực tế. Hơn nữa độ chính xác của nó cũng đủ cho yêu cầu của kỹ thuật, cho nên phương pháp này được ứng dụng rộng rãi nhất trong thực tế.
2.4.2.2: Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm là dùng mô hình để xác định những đặc trưng của dòng thấm. Phương pháp này có thể tiến hành: xác định những đặc trưng của dòng thấm. Phương pháp này có thể tiến hành:
+ Thí nghiệm bằng máng kính: Việc thí nghiệm được tiến hành trên mô hình trong máng kính để xác định lưu lượng, áp lực, đường bão hòa…Phương pháp này khá đơn giản nhưng độ chính xác rất hạn chế.
+ Thí nghiệm bằng khe hẹp: Dựa vào sự tương tự giữa sự chuyển động của những chất lỏng có độ nhớt lớn (các loại dầu nhờn) trong khe hẹp với sự chuyển động của nước trong môi trường rỗng chảy tầng, mà xác định những đặc trưng dòng thấm trên cơ sở đo đạc những đặc trưng của dòng chảy của dầu trong khe hẹp bằng các tia màu để xác định đường dòng. Phương pháp này ứng dụng tốt trong trường hợp thấm ổn định và cả không ổn định như trường hợp thấm qua đập khi mực nước thượng hạ xuống lên đột ngột hoặc khi nước tràn qua đập đất.
+ Phương pháp tương tự điện- Thủy động (EGĐA). Dùng tính tương tự giữa dòng điện và dòng thấm để giải quyết những bài toán thấm trên mô hình dòng điện. phương pháp EGĐA trên mô hình với giấy dẫn điện. Phương pháp này khá tiện lợi và chính xác đồng thời có thể giải quyết những trường hợp sơ đồ thấm phức tạp.
2.4.2.3: Sự phát triển của các phương pháp tính ổn định mái dốc:
Để tính toán ổn định mái dốc người ta thường dùng phương pháp phân tích giới hạn hoặc phương pháp cân bằng giới hạn. Phương pháp cân bằng giới hạn dựa trên cơ sở giả thiết định trước mặt trượt và phân tích trạng thái cân bằng giới hạn của các phân tố đất trên mặt trượt giả định trước. Độ ổn định được đánh giá bằng tỷ số giữa thành phần lực chống trượt đất nếu được huy động hết so với thành phần lực gây trượt.
Hiện nay đã có một số tác giả đã dùng bài toán 3 chiều để phân tích ổn định mái dốc. Tuy nhiên các kết quả cho thấy rằng thường phân tích theo bài toán phẳng cho kết quả thiên nhỏ một chút. Mặt khác, nhiều công trình thuỷ lợi và giao thông (như đê, đập, đường….) có dạng bài toán phẳng. Vì vậy bài toán phẳng để phân tích
ổn định mái dốc vẫn được áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu và tính toán cho các bài toán thực tế. Phương pháp tính toán ổn định mái dốc đã được đề cập từ rất lâu. nghiên cứu ổn định mái dốc cho đến hiện nay, thường dùng bài toán phẳng để phân tích ổn định mái dốc.
Phương pháp cân bằng giới hạn dựa vào mặt trượt giả định trước (cân bằng giới hạn cố thể). Để có cơ sở lựa chọn dạng mặt trượt, người ta phải có những kết quả nghiên cứu thực nghiệm và tài liệu quan sát hiện trường. Thực tế thấy rằng, hình dạng mặt trượt phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Như địa tầng các lớp đất, loại đất, góc dốc của mái dốc, tính chất nứt nẻ của bề mặt mái dốc, khả năng thấm nước trên mặt xuống…..
Các phương pháp tính ổn định mái dốc chủ yếu khác nhau ở việc giả thiết hình dạng mặt trượt, lực tương tác giữa các thỏi, điểm đặt của lực tương tác giữa các thỏi. Hiện nay người ta đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ổn định mái dốc.
2.4.2.4: Cơ sở các phương pháp tính ổn định trượt mái:
Tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb
Độ bền chống cắt (sức kháng cắt) của đất theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr- Coulomb, viết cho trường hợp ứng suất tổng như sau:
τRfR = σ.tgϕ + C (2.14)
Trong đó : τRf R: Sức kháng cắt của đất.
σ: ứng suất pháp (ứng suất toàn phần theo phương thẳng góc với mặt trượt).
ϕ, C: Góc ma sát và lực dính tương ứng với ứng suất tổng.
Trong trường hợp ứng suất hiệu quả thì tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb được viết như sau:
τRfR = (σ-u).tgϕ' + c' (2.15)
ϕ', c': Góc ma sát và lực dính hiệu quả của đất.
Các phương pháp tính toán ổn định trượt mái
Có hai phương pháp để kiểm tra ổn định trượt của mái dốc đó là: Phương pháp cân bằng giới hạn và phương pháp phân tích giới hạn.
- Phương pháp cân bằng giới hạn dựa trên cơ sở giả định trước mặt trượt (coi khối trượt như một cố thể) và phân tích trạng thái cân bằng tới hạn của các phân tố đất trên mặt trượt đã giả định trước. Sự ổn định được đánh giá bằng tỷ số giữa thành phần lực kháng trượt (lực ma sát, lực dính) huy động trên toàn mặt trượt với thành phần lực gây trượt (trọng lượng, áp lực nước, áp lực thấm, động đất...)
- Phương pháp phân tích giới hạn dựa trên cơ sở phân tích ứng suất trong toàn miền của công trình (cả đất đắp và đất nền). Dùng các thuyết bền như: Mohr- corlomb, Hill-Tresca, Nises-Shleiker… kiểm tra ổn định cục bộ tại mỗi điểm trong toàn miền công trình sẽ mất ổn định tổng thể khi tổng hợp các điểm cục bộ bị mất ổn định làm thành một mặt liên tục.
Phương pháp phân tích cân bằng giới hạn chia thỏi. a. Nguyên lý chung.
- Phương pháp cân bằng giới hạn với mặt trượt giả định trước, tính toán dựa trên nguyên lý chung là:
- Khối trượt được coi như một cố thể, chỉ các điểm trên bề mặt trượt đạt trạng thái cân bằng giới hạn.
- Dạng mặt trượt được chọn tùy theo từng phương pháp cụ thể.
- Dựa trên cơ sở các phương trình cân bằng tĩnh học đối với toàn khối trượt và đối với từng lát trượt được phân nhỏ để tìm hệ số an toàn (K). Mặt trượt nguy hiểm nhất sẽ là mặt trượt giả định nào cho hệ số an toàn nhỏ nhất, sẽ tính được bằng cách thử dần.
phương pháp phân mảnh thường cần sự hỗ trợ của máy tính điện tử.
b. Những giả thiết chung của phương pháp.
Sức kháng của đất (τRfR) xác định theo tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb theo phương trình (2.15)
Hệ số an toàn đối với thành phần lực dính bằng hệ số an toàn đối với thành phần ma sát : m m m gh ' tg ' tg ' C ' C K ϕ ϕ = = τ τ = (2.16)
Trong đó: τRmR, C'RmR , tgϕ'RmR : ứng suất chính, lực dính và góc ma sát được huy động ở trạng thái làm việc của công trình.
τRghR, C', tgϕ': Các giá trị cực hạn của chúng ở trạng thái phá hoại. Sự phá hoại của đất là phá hoại cắt tương ứng theo tiêu chuẩn Mohr- Coulomb. Xét tại một điểm ở trạng thái cân bằng tính toán với hệ số an toàn KRRta có: ( ) [ ] K ' C ' tg . u m f = σ− ϕ+ τ τ (2.17)
Như vậy hệ số an toàn K trong phương pháp chia thỏi còn có ý nghĩa là hệ số giảm lực dính và lực ma sát của đất để nó đạt trạng thái cân bằng giới hạn tính toán. Từ công thức (2.15) ta nhận thấy tại một điểm bất kỳ trên mặt trượt nào đó nếu biết được ứng suất tiếp τthì xác định được các hệ số an toàn K:
- Nếu K = 1 có nghĩa là cường độ chống cắt (lực dính và ma sát được huy động hết) nên điểm đó đạt trạng thái cân bằng giới hạn.
- Nếu K >1 thực tế đất còn mức dự trữ lực ma sát và lực dính nên điểm đó