2.5.1. Lựa chọn phương pháp
Khi phân tích dòng thấm trong RCC bằng phương pháp phần tử hữu hạn, người ta chia miền thấm của đập thành các tam giác có kích thước và hình dạng phù hợp với các biên và tùy theo từng khu vực khác nhau.
Hình 9: Sơ đồ chia lưới phần tử của đập và nền a. Bài toán không gian b. Bài toán phẳng
Giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn tức là tìm nghiệm phương trình đại số tuyến tính: 0 = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂ y y y x x x H k H k (2.14)
Với sự phát triển của công nghệ cụ thể là tốc độ xử lý các bài toán phức tạp của máy tính đã giúp giải quyết bài toán một cách dễ dàng, nhanh chóng và cho hiệu quả cao. Do vậy, phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm ANSYS V12.00 được chọn để sử dụng cho bài toán nghiên cứu trường thấm trong đập RCC.
Trong luận văn tác giả tính toán thấm với một mặt cắt: + Đập có chiều cao đập H=118,10(m).
+ Trường hợp tính toán: Thượng lưu ứng với mực nước tính toán và mực nước hạ lưu không có nước.
+ Hệ số thấm của vật liệu(Kđ)
+ Phương pháp tính toán là phương pháp phần tử hữu hạn được thực hiện trên máy tính bằng phần mềm tính toán ANSYS V12.00.
2.5.2. Mô hình tính toán
Đập và nền được mô hình hóa bằng phần tử Plane 55
Quy trình tính toán:
+ Mô hình bài toán và chia lưới phần tử.
+ Gán thông số cho đập và nền như: hệ số thấm, cột nước thấm. + Chạy chương trình bài toán.
+ Xuất kết quả bài toán.
Dựa trên kết quả bài toán tiến hành phân tích kết quả tính toán thấm của đập.
2.6. Kết luận
Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp giải được các bài toán tương đối phức tạp,cho kết quả tính toán phù hợp với thực tế và có độ chính xác cao. Khi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu dòng thấm trong đập RCC tương đối phù hợp và cho kết quả chính xác.
CHƯƠNG III. NGHIÊN CỨU THẤM TRONG ĐẬP RCC.
3.1. Ảnh hưởng của hành lang thu nước tới trường thấm trong đập RCC. 3.1.1. Hành lang thân đập. 3.1.1. Hành lang thân đập.
Hành lang trong thân đập có tác dụng thu nước qua các khe nhiệt hoặc qua các mạch dừng thi công dẫn nước về phía hạ lưu đập.
Hình 10: Hành lang thu nước trong thân đập RCC(đập Sông Tranh 2)
Để hạn chế ứng suất nhiệt trong quá trình thi công và quản lý vận hành, các đập bê tông đều phải bố trí khe nhiệt. Như đã biết do bố trí khe nhiệt làm cho bề mặt bê tông thông suốt từ thượng lưu đến hạ lưu. Để tránh nước xuyên qua khe này chảy về mái hạ lưu đập, người thiết kế phải thiết kế khớp nối nối 2 khối đập lại, ngăn ngừa nước xuyên qua khớp nối. Tuỳ thuộc vào chiều cao cột nước mà người thiết kế đưa
ra các giải pháp vật chắn nước, thu nước trong khớp nối phù hợp hoặc bổ sung các biện pháp khác nhằm ngăn ngừa triệt để dòng thấm về mái hạ lưu đập. Về nguyên tắc thiết kế mái đập hạ lưu đập bê tông là không có nước vì tất cả các nước rò rỉ đều được kiểm soát bằng các ống tiêu nước, hành lang thu nước... Nếu nước có rò rỉ sau khi qua vật chắn nước của khớp nối thì cũng được tập trung đưa về hành lang để theo ống dẫn nước hoặc máy bơm bơm về hạ lưu đập. Nước tập trung trong thân đập bao gồm nước từ thượng lưu đập dọc theo khe nhiệt hoặc khe dừng thi công chảy tập trung về gặp hành lang thân đập, tại đây nước tập trung theo rãnh hành lang và còn tồn tại một dạng nước thấm qua bê tông đập cũng được tập trung và chảy tập trung theo hành lang của đập.
Trong khuôn khổ luận văn chỉ đi sâu vào xem xét trường thấm xảy ra trong thân đập nên không xét đến lượng nước khác xuất hiện trong hành lang thu nước(Nước rò rỉ qua vật chắn nước của khớp nối qua khe phân nhiệt,...)
3.1.2. Ảnh hành lang thu nước tới trường thấm trong đập RCC.
3.1.2.1. Trường hợp 1: Tính toán ứng với đập có hành lang thoát nước trong thân đập.
Bài toán với mặt cắt đập RCC nghiên cứu có chiều cao đập Hđ=118,10(m) trong thân đập có bố trí 2 hành lang dọc theo thân đập: hành lang thứ nhất với kích thước hành lang là bxh=3,00x3,00m(hành lang thu nước số 1) và cao trình đáy hành lang +70,10m và hành lang thứ hai với kích thước hành lang là bxh=4,00x4,00m(hành lang thu nước số 2) và cao trình đáy hành lang +28,10m.
Khi nghiên cứu sự thay đổi dòng thấm thì tính toán với trường hợp mực nước thượng lưu MNTL=+110,00m, với hệ số thấm K = 1.10-4 (m/ngày đêm). Khi đập chịu ảnh hưởng dòng thấm có nghĩa là hành lang trong thân đập có xuất hiện nước do thấm, dòng thấm tập trung về hành lang thu nước thân đập và được thể hiện bằng sự phân bố lưu tốc thấm.
Hình 11: Cột nước áp lực lên đập
1, 2,
a
b c
Hình 13: Lưu tốc dòng thấm toàn bộ đập( a), hành lang thu nước số 1( b) và hành lang số 2(c).
3.1.2.1. Trường hợp 2: Tính toán ứng với đập không có hành lang thoát nước trong thân đập.
Hình 14: Cột nước áp lực lên đập
3.1.2.1. Tổng hợp kết quả
Bảng 5: Kết quả tính toán lưu lượng thấm đơn vị
Trường hợp Q1 (m3/ngày đêm-m) Q2 (m3/ngày đêm-m) Q3 (m3/ngày đêm-m) 1 1,62.10-3 4,06.10-3 6,80. 10-4 2 1,22.10-3
Trong đó: Q1 - lưu lượng thấm đơn vị ở hành lang thu nước số 1. Q2 - lưu lượng thấm đơn vị ở hành lang thu nước số 2. Q3 - lưu lượng thấm đơn vị ở mái hạ lưu đập.
Bảng 6: Kết quả tính toán gradient thấm XYmax
Trường hợp J1 J2 J3
1 7,54 14,30 2,07
2 2,22
Trong đó: J1 - Gradient thấm lớn nhất ở hành lang thu nước số 1. J2 - Gradient thấm lớn nhất ở hành lang thu nước số 2. J3 - Gradient thấm lớn nhất ở mái hạ lưu đập.
Từ bảng kết quả tính toán trong hai trường hợp: trường hợp 1 là đập RCC có bố trí hành lang thu nước trong thân đập RCC và trường hợp 2 là đập không bố trí hành lang trong thân đập RCC. Qua kết cho ta thấy hành lang thu nước trong thân đập ảnh hưởng trực tiếp đến dòng thấm.
Trong trường hợp đập RCC không bố trí hành lang thu nước trong thân đập thì dòng thấm qua thân đập RCC và xuất hiện ở mái hạ lưu đập RCC, còn trong trường hợp đập RCC có bố trí hành lang thu nước trong thân đập thì dưới ảnh hưởng chiều cao cột nước thượng lưu hình thành dòng thấm trong thâm đập, dòng thấm này một phần tập trung và được thu trong 2 hành lang thu nước và một phần tập trung ở mái hạ lưu đập RCC, lưu lượng thấm đơn vị thu hạ lưu giảm một cách rõ rệt.
Lưu lượng thấm đơn vị ở hạ lưu đối với đập có hành lang thu nước Q= 6,80. 10-
4(m3/ngày đêm-m)còn lưu lượng thấm đơn vị thu nước thấm ở hạ lưu đối với đập không có hành lang thu nước Q= 1,22. 10-3(m3/ngày đêm-m)tức là khi đập có hành lang thì lượng nước thấm một phần được thu về hành lang và phần còn lại thấm về hạ lưu đập. Lưu lượng thấm đơn vị ở hạ lưu đối với đập có bố trí hành lang thu nước giảm 44,26% lần Lưu lượng thấm đơn vị mái hạ lưu đối với đập không bố trí hành lang thu nước.
Gradient thấm XYmax ở chân mái hạ lưu đập RCC có bố trí hành lang thu nước (2,07) giảm 6,76% so với gradient thấm XYmax ở chân mái hạ lưu đập RCC không bố trí hành lang thu nước(2,22). Mặt khác, đối với đập RCC có hành lang thu nước thì gradient thấm XYmax có giá trị tương đối lớn so với gradient thấm XYmax ở phía hạ chân đập
Trong việc nghiên cứu trường thấm trong đập RCC đối với đập có hành lang thu nước và đập không bố trí hành lang thu nước thì với đập RCC có bố trí hành lang thu nước trong thân đập ảnh hưởng rất lớn đến trường thấm, khi có hành lang thu nước thì đường bão hòa trong thân đập sẽ được hạ thấp nhờ được thu vào trong hành lang thu nước trong thân đập, dòng thấm trong thân đập hạ thấp tức là lượng nước thấm trong thân đập không những nước thấm được thu trực tiếp vào trong hành lang và giảm lượng nước thấm ở mái hạ lưu so với đập RCC không bố trí hành lang thu nước trong thân đập. Nhưng khi bố trí hành lang thu nước cần chú ý gradient thấm XYmax ở hành lang tương đối lớn so với gradient thấm XYmax ở mái
hạ lưu đập để tránh các hiện tượng chống xói phá hủy lớp bê tông RCC và có thể làm mất an toàn cho đập RCC.
Như vậy, trong quá trình ứng dụng thiết kế các đập RCC cao có cột nước lớn nên bố trí hành lang thu nước và vỏ hành lang này dùng với vật liệu chống thấm tốt để tránh hiện tượng dòng thấm phá hủy lớp bê tông. Bố trí hành lang thu nước sẽ hạ thấm đường bão hòa trong thân đập RCC hay là làm giảm lưu lượng thấm đơn vị ở mái hạ lưu đập. Đồng thời, hành lang thu nước có tác dụng thu nước chảy từ các khe ứng suất nhiệt, các khe thi công... vì lý do nào đây bị nước thượng lưu xâm nhập thường dòng chảy này rất lớn để dẫn về hạ lưu không để dòng chảy này ảnh hưởng an toàn của đập RCC.
3.2. Ảnh hưởng của chiều cột nước trước đập tới trường thấm trong đập RCC
3.2.1. Trường hợp 1: Với đập RCC có bố trí hành lang thu nước trong thân đập
Để xem xét sự ảnh hưởng của chiều cao cột nước thượng lưu trước đập với trường thấm trong đập RCC ta tính toán với đập có chiều cao của đập Hđ=117,00(m) và tính toán với 3 trường hợp tương ứng với cột nước thay đổi là: H=110(m), H=90(m), H=70(m) và hệ số thấm của đập K=1.10-4(m/ngày đêm).
STT Trường hợp tính toán Hệ số thấm K(m/ngày đêm) H(m) 1 1 110 2 2 90 3 3 1.10-4 70
Hình 16: Áp lực cột nước và véc tơ lưu tốc ứng với cột nước H=110(m)
Hình 17: Áp lực cột nước và véc tơ lưu tốc ứng với cột nước H=90(m)
Bảng 7: Kết quả tính toán lưu lượng thấm (Xem phụ lục kết quả tính toán trang 82,83)
STT H (m) Q1 (m3/ngày đêm-m) Q2 (m3/ngày đêm-m) Q3 (m3/ngày đêm-m) 1 110 1,62.10-3 4,06.10-3 6,80. 10-4 2 90 6,90. 10-4 3,09.10-3 4,50. 10-4 3 70 0 2,07.10-3 2,90. 10-4
Trong đó: Q1 – lưu lượng thấm đơn vị ở hành lang thu nước số 1. Q2 – lưu lượng thấm đơn vị ở hành lang thu nước số 2. Q3 – lưu lượng thấm đơn vị ở mái hạ lưu đập.
Bảng 8: Kết quả tính toán gradient thấm
STT H
(m) J1 J2 J3
1 110 7,73 14,30 2,07 2 90 3,78 10,82 1,86 3 70 0,46 8,71 1,63 Trong đó: J1 - Gradient thấm lớn nhất ở hành lang thu nước số 1.
J2 - Gradient thấm lớn nhất ở hành lang thu nước số 2. J3 - Gradient thấm lớn nhất ở mái hạ lưu đập.
Qua bảng 7, tính toán kết quả lưu lượng thấm đơn vị, chiều cao cột nước trước đập RCC thay đổi thì lưu lượng thấm đơn vị ở 2 hành hang thu nước và mái hạ lưu đập thay đổi rõ rệt.
Hình 19: Biểu đồ quan hệ giữa cột nước thượng lưu H và lưu lượng thấm đơn vị ở hành lang thu nước số 1.
Hình 20: Biểu đồ quan hệ giữa cột nước thượng lưu H và gradient thấm ở hành lang thu nước số 1.
Với hành lang thu nước số 1, Từ bảng 7, bảng 8, hình 19 và hình 20 khi cột nước trước đập H1=110(m) thì lưu lượng đơn vị là Q11 = 1,62.10-3 (m3/ngày đêm-m), khi mực nước thượng lưu rút xuống H2=90(m) thì lưu lượng đơn vị Q12 = 6,90. 10-
4(m3/ngày đêm-m)tức là mực nước thượng lưu giảm 20m cột nước thì lưu lượng đơn vị ứng với H2 giảm 57,41% so với lưu lượng thấm đơn vị ứng với mực nước thượng lưu H1, cột nước trước đập H2=90(m) thì lưu lượng đơn vị là Q12 = 6,90. 10-
4(m3/ngày đêm-m)khi mực nước thượng lưu rút xuống H3=70(m) thì lưu lượng đơn vị Q13 = 0(m3/ngày đêm-m). Gradient thấm trong hành lang thu nước thứ nhất khi cột nước thượng lưu thay đổi từ H1=110(m) rút xuống mực nước H2=90(m) và H3=70(m) thì có gradient thấm cũng giảm, ở mực nước thượng lưu H2=90(m) (J=3,78)thì gradient thấm giảm 51,10% so với gradient thấm ứng với mực nước H1=110(m)(J=7,73), ở mực nước thượng lưu H3=70(m) (J=0,46)thì gradient thấm giảm 87,83% so với gradient thấm ứng với mực nước H2=90(m).
Hình 21: Biểu đồ quan hệ giữa cột nước thượng lưu H và lưu lượng thấm đơn vị ở hành lang thu nước số 2
. Hình 22: Biểu đồ quan hệ giữa cột nước thượng lưu H và gradient thấm ở hành
lang thu nước số 2.
Với hành lang thu nước số 2, Từ bảng 7, bảng 8, hình 21 và hình 22 cột nước trước đập H1=110(m) thì lưu lượng đơn vị là Q21 = 4,06.10-3 (m3/ngày đêm-m), khi mực nước thượng lưu rút xuống H2=90(m) thì lưu lượng đơn vị Q22 = 3,09. 10-
4(m3/ngày đêm-m) tức là mực nước thượng lưu giảm 20m cột nước thì lưu lượng đơn vị ứng với H2 giảm 23,90% so với lưu lượng thấm đơn vị ứng với mực nước thượng lưu H1, cột nước trước đập H2=90(m) thì lưu lượng đơn vị là Q22 = 6,90. 10-
4(m3/ngày đêm-m), khi mực nước thượng lưu rút xuống H3=70(m) thì lưu lượng đơn vị Q23 = 2,07.10-3 (m3/ngày đêm-m) tức là mực nước thượng lưu giảm 20m cột nước thì lưu lượng đơn vị ứng với H3 giảm 33,0% so với lưu lượng thấm đơn vị ứng với mực nước thượng lưu H2. Gradient thấm trong hành lang thu nước thứ nhất khi cột nước thượng lưu thay đổi từ H1=110(m) rút xuống mực nước H2=90(m) và
H3=70(m) thì có gradient thấm cũng giảm, ở mực nước thượng lưu H2=90(m) (J=3,78)thì gradient thấm giảm 51,10% so với gradient thấm ứng với mực nước
H1=110(m)(J=7,73), ở mực nước thượng lưu H3=70(m) (J=0,46)thì gradient thấm giảm 87,83% so với gradient thấm ứng với mực nước H2=90(m).
Hình 23: Biểu đồ quan hệ giữa cột nước thượng lưu H và lưu lượng thấm đơn vị ở mái hạ lưu đập
.
Hình 24: Biểu đồ quan hệ giữa cột nước thượng lưu H và gradient thấm ở ở mái hạ lưu đập.
Mái hạ lưu đập,từ bảng 7, bảng 8, hình 23 và hình 24 thấy sự thay đổi chiều cao cột nước trước đập làm cho lưu lượng thấm mái hạ lưu đập thay đổi, khi chiều cao cột nước trước đập H=110(m) hạ thấp về chiều cao mực nước H=90(m)và H=70(m) thì lưu lượng thấm đơn vị ở mái hạ lưu ứng với chiều cao cột nước H=90(m) và H=70(m) giảm đi tương ứng 33,82% và 57,40% so với lưu lượng thấm đơn vị ở mái hạ lưu ứng với chiều cao cột nước H=110(m) và chiều cao cột nước trước đập H=90(m) hạ thấp về chiều cao mực nước H=70(m)thì lưu lượng thấm đơn vị ở mái hạ lưu ứng với chiều cao cột nước H=70(m) giảm đi 35,56% so với lưu lượng thấm đơn vị ở mái hạ lưu ứng với chiều cao cột nước H=90(m).Khi chiều cao cột nước trước đập thay đổi thì gradient cũng thay đổi, chiều cao cột nước thay đổi từ H=110(m) về H=90(m)và H=70(m) thì gradient thấm XYmax ở mái hạ lưu ứng với H=90(m)và H=70(m) giảm tương ứng 10,14% và 21,26% so với gradient thấm ứng với chiều cao cột nước thượng lưu H=110(m). Chiều cao cột nước thay đổi từ H=90(m) về H=70(m) thì gradient thấm XYmax ở mái hạ lưu ứng với H=70(m) giảm 12,37% so với gradient thấm ứng với chiều cao cột nước thượng lưu H=90(m).
Như vậy, chiều cao cột nước thượng lưu thay đổi thì các yếu tố đặc trưng của dòng thấm (như: lưu lượng đơn vị Q, gradient thấm) cũng thay đổi.
3.2.2. Trường hợp 2: Với đập RCC không bố trí hành lang thu nước trong thân đập
Để xem xét sự ảnh hưởng của chiều cao cột nước thượng lưu trước đập với trường thấm trong đập RCC ta xét bài toán với 3 trường hợp tương ứng với cột nước H=110(m), H=90(m), H=70(m) và hệ số thấm của đập K=1.10-4(m/ngày đêm).
Hình 25: Áp lực cột nước và véc tơ lưu tốc ứng với cột nước H=110(m)
Hình 26: Áp lực cột nước và véc tơ lưu tốc ứng với cột nước H=90(m)
Bảng 9: Kết quả tính toán lưu lượng thấm STT H