CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THẤM VÀ ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐẤT
2.3. Sử dụng phần mềm Geo – slope để tính toán
2.3.1. Các bài toán thấm trong SEEP/W-Geoslope
Bộ phần mềm GEO-SLOPE được sản xuất bởi GEO-SLOPE International Ltd (Canada), được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng, giao thông, thủy lợi… trong đó SEEP/W là một phần dùng để phân tích bài toán thấm. SEEP/W là phần mềm được thiết lập sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn dùng để mô hình hoá các bài toán thấm (mô hình sự chuyển động và phân bố áp lực nước lỗ rỗng) trong các môi trường rỗng xốp như đất. Khi đó mặt cắt ngang của đập sẽ được rời rạc hoá thành các phần tử tam giác hay tứ giác. Các đường chia tách các phần tử cắt nhau tại các điểm nút. Cột nước thuỷ lực tại mỗi điểm nút nhận được bằng cách giải phương trình chi phối dòng thấm và áp dụng các điều kiện biên.
2.3.1.2. Phương pháp tính toán thấm của SEEP/W - Geoslope a) Cơ sở lý luận của SEEP/W:
Dòng thấm trong đất bão hòa và không bão hòa tuân theo định luật thấm Darcy: q = kjω hoặc có thể viết dưới dạng q = kj (2.74)
Trong đó:
q: lưu lượng thấm đơn vị v: lưu tốc thấm trung bình k: hệ số thấm
j: Gradient của dòng thấm
Lưu lượng vào và ra khỏi phân tố đất biến thiên theo độ ẩm thể tích Δθ, trường hợp thấm ổn định Qvào = Qra = Δθ = 0
b) Phương trình thấm:
Tính toán thấm theo phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên modul SEEP/W của phần mềm Geo-slope. Các phương trình cơ bản sau đây được sử dụng tính toán thấm trong SEEP/W như sau:
Phương trình vi phân tổng quát:
+ Trường hợp dòng thấm ổn định:
x y
H H
k k Q
x x y y t
θ
∂ ∂ + ∂ ∂ + =∂
∂ ∂ ∂ ∂ ∂ (2.75)
+ Trường hợp dòng thấm không ổn định:
w ' w '
x y
H H H
k k Q m
x x y y t
∂ ∂ + ∂ ∂ + = γ ∂
∂ ∂ ∂ ∂ ∂ (2.76)
Trong đó:
H: Tổng cột nước
kx: Hệ số thấm theo phương x ky: Hệ số thấm theo phương y
Q: Lưu lượng biên áp đặt cho phần tử q: Lượng chứa nước thể tích
t: Thời gian
γn : Trọng lượng đơn vị của nước
mw: Hệ số góc của đường cong lượng chứa nước với áp lực lỗ rỗng Ngoài ra, SEEP/W còn sử dụng hàm thấm, thể hiện mối quan hệ giữa hệ số thấm và áp lực nước lỗ rỗng, hàm lượng chứa nước thể tích với áp lực nước lỗ rỗng trong đất.
Lưu lượng thấm qua đập tính gần đúng theo công thức sau: Q=q.Ltb
2.3.1.3. Ứng dụng của phần mềm SEEP/W - Geoslope
SEEP/W có thể phân tích bài toán: dòng thấm có áp, không áp, thấm do mưa, thấm từ bồn chứa nước ảnh hưởng tới mực nước ngầm, áp lực nước lỗ rỗng dư, thấm ổn định và thấm không ổn định.
SEEP/W ghép đôi với SLOPE/W để phân tích ổn định của mái dốc trong điều kiện có áp lực nước lỗ rỗng phức tạp.
SEEP/W có thể mô hình hoá dòng thấm trong cả môi trường bão hoà lẫn không bão hoà. Tính năng này giúp SEEP/W có thể ứng dụng rộng rãi trong các bài toán thực tế. Trong đất, hệ số thấm và độ chứa nước thay đổi theo áp lực nước lỗ rỗng (áp lực nước lỗ rỗng dương có ở đất bão hoà nước, áp lực nước lỗ rỗng âm có ở đất không bão hoà ). SEEP/W có thể mô hình hoá tính chất này như một hàm liên tục. Trong khi một số phần mềm khác chỉ thường mô hình hoá hiện tượng này một cách đơn giản là một hàm theo bậc.
Tức là, với áp lực nước lỗ rỗng lớn hơn hay bằng không, hệ số thấm được sử dụng là hệ số thấm khi bão hoà; với áp lực nước lỗ rỗng nhỏ hơn không, hệ số thấm được coi như bằng không. Mô hình hoá theo dạng này thường dẫn đến kết quả không đúng với thực tế. Sau đây là một vài trường hợp mà SEEP/W có thể mô phỏng dòng thấm cả trong môi trường bão hoà lẫn không bão hoà để cho ra kết quả thực tế hơn.
* Thấm tự do qua đập đất:
Hình 2.10: Thấm tự do qua đập đất- Phreatic Surface : Mặt bão hoà
Bài toán này mô phỏng trong SEEP/W sẽ cho ra kết quả về áp lực của nước trong lưới. Tập hợp các điểm của chất lỏng có áp lực dư bằng không sẽ là mặt bão hoà của miền thấm. Đây không phải là biên của dòng thấm, đây chỉ là nơi có áp lực nước bằng không. Trên mặt bão hoà này vẫn có dòng thấm của môi trường không bão hoà.
* Mưa
* Thấm từ các ao, hồ. thấm xuống đất.
Hình 2.11: Mưa thấm xuống đất Infiltratio: sự thấm xuống dưới.
Low permeability layer: lớp đất có hệ số thấm nhỏ.
Flow path: đường dòng thấm.
Khi mưa thấm xuống dưới đất, rõ ràng là nước sẽ đi qua vùng chưa bão hoà trước khi xuống dưới vùng bão hoà bên dưới. SEEP/W sẽ mô phỏng hiện tượng này một cách thoả đáng. Như hình trên là một trường hợp thấm của mưa qua đất. Đây là một trường hợp phức tạp khi có một lớp đất có hệ số thấm nhỏ nằm giữa. Nước mưa thấm đến lớp này, một phần sẽ thấm ra phần trên của mái dốc. Phần còn lại sẽ đi qua lớp này và sẽ thoát ra chân mái dốc. Như vậy, trên hình vùng A và vùng C sẽ là vùng đất bão hoà nước, vùng B là vùng không bão hoà nước. Những bài toán như thế này sẽ được SEEP/W mô phỏng dễ dàng.
Hình 2.12: Thấm từ các ao, hồ.
Bài toán mô tả nước từ ao, hồ thấm xuống dưới. Do mực nước ngầm nằm thấp bên dưới nên có một khoảng đất nền không bão hoà nước.
Như vậy, sự thấm của nước từ trong ao, hồ xuống dưới mực nước ngầm tự nhiên là sự thấm trong miền không bão hoà.
* Bài toán áp lực nước lỗ rỗng dư.
Hình 2.13: Áp lực nước lỗ rỗng dư
Bài toán này là một trong những điển hình về bài toán áp lực nước lỗ rỗng dư. Khi nước trong hồ chứa hạ xuống đột ngột, đường bão hoà trong thõn đập sau đú diễn biến như thế nào sẽ ủược SEEP/W mụ phỏng một cách chính xác.
* Bài toán thấm theo thời gian
Hình 2.14: Thấm theo thời gian.
Là bài toán nước trong hồ chứa hạ đột ngột, như vậy SEEP/W có thể xét sự thay đổi đường bão hoà trong thân đập theo thời gian.
SEEP/W có thể liên kết với các môdul khác trong chương trình để xác định áp lực nước.