Xem mẫu
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG CỐNG ĐẾN NGUY CƠ
HÌNH THÀNH DÒNG THẤM TẬP TRUNG
DỌC THEO CỐNG NGẦM DƯỚI ĐẬP
Trần Duy Quân
Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy lợi, email: duyquan@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG tỉnh Hà Tĩnh với mục đích tạo hồ chứa cung
cấp nước tưới cho khoảng 30ha đất canh tác,
Sự hình thành và phát triển vết nứt do áp lực
và tạo nguồn cấp nước sinh hoạt cho người
thủy lực (Nứt gãy thủy lực - NGTL) được xem
dân của xã Hương Trạch. Công trình được
là một trong những nguyên nhân dẫn đến dòng
hoàn thành đưa vào sử dụng vào tháng
thấm tập trung dọc mang cống gây vỡ đập.
7/2008, và bị sự cố vỡ đập vào tháng 6/2009.
Trong đó, hiện tượng NGTL được xem như
Sự cố xảy ra tại vị trí của cống và được cho
xuất hiện tại một phân tố đất bất kỳ xung
là có liên quan đến dòng thấm tập trung dọc
quanh cống khi mà ứng suất chính tại điểm đó
cống ngầm. Kết cấu mặt cắt ngang cống
nhỏ hơn áp lực nước tác dụng. Khi đó, dòng
ngầm được thể hiện ở hình 1.
thấm sẽ xâm nhập vào các khuyết tật (là các
vết nứt hoặc những khoảng hở trong thân đập)
và lan truyền mở rộng các khuyết tật. Khi kích
thước các khuyết tật đủ lớn, sẽ liên thông với
nhau và tạo điều kiện thuận lợi cho dòng thấm
tập trung hình thành, gây vỡ đập. Sherard&nnk
8.1m
(1972) và Ngambi&nnk (1998) chỉ ra rằng
hình dạng cống ngầm lấy nước dưới đập không
9.0m
hợp lý sẽ dẫn đến sự suy giảm ứng suất của đất
đắp xung quanh cống bởi hiện tượng "vòm ứng
suất - arching action", qua đó xuất hiện những
0.7m
nguy cơ cao hơn hình thành dòng thấm tập
trung dọc mang cống bởi hiện tượng NGTL [1-
2]. Bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu
0.4m
sử dụng mô hình toán để chỉ ra ảnh hưởng của
hình dạng cống đến nguy cơ xuất hiện hiện 1.2m
tượng NGTL xung quanh cống ngầm.
Hình 1. Mặt cắt cống Z20
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ngoài mặt cắt cống tròn thực tế của đập
Để có thể đánh giá ảnh hưởng của hình Z20 (hình 1), nghiên cứu này còn xem xét
dạng cống đến nguy cơ mất an toàn đập do một số hình dạng cống khác như được thể
dòng thấm dọc mang cống được gây ra bởi hiện ở hình 2, bao gồm: cống hộp – (hình 2a)
hiện tượng NGTL, nghiên cứu này sử dụng (hình dạng cống phổ biến hay gặp) và cống
sự cố đập Z20 như một trường hợp nghiên có tường ngoài được làm nghiêng với độ
cứu điển hình. Đập Z20 được xây dựng trên nghiêng G – (hình 2b). Để dự đoán nguy cơ
địa bàn xã Hương Trạch, huyện Hương Khê, xuất hiện hiện tượng NGTL xung quanh cống
195
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
dẫn đến hình thành dòng thấm tập trung dọc đồ hình 4. Kết quả trong cho thấy, khu vực 2
mang cống, phương pháp phần tử hữu hạn bên cạnh của cống, ứng suất pháp bị giảm
được sử dụng để mô phỏng trạng thái ứng nhỏ, nhỏ hơn giá trị áp lực nước tác dụng.
suất của đất đắp xung quanh cống [1,3]. Mô Đối chiếu với tiêu chuẩn xuất hiện của hiện
hình phần tử hữu hạn với các điều kiện biên tượng NGTL (Bất phương trình 1) cho thấy
cho 1 trường hợp đại diện (cống ở hình 2b, rằng dòng thấm tập trung gây vỡ đập Z20 có
trường độ nghiêng mặt ngoài của cống G = thể liên quan đến sự xuất hiện của hiện tượng
0,4) được thể hiện ở hình 3. Mô hình gồm NGTL tại khu vực xung quanh cống.
1024 phần tử bậc cao (8 điểm nút), toàn bộ
phần đắt đắp đập được mô phỏng thành 6 lớp
đất như minh họa ở hình 3. Ứng suất chính
nhỏ nhất của đất đắp xung quanh cống được
xác định từ mô hình phần tử hữu hạn sẽ được
so sánh với giá trị của áp lực nước tại điểm
tương ứng. Hiện tượng NGTL được xem là
xuất hiện khi xảy ra điều kiện:
σn < W (1)
Trong đó: σn - ứng suất nhỏ nhất tại điểm
xem xét được trích xuất từ mô hình phần tử
hữu hạn; W - áp lực nước tại điểm xem xét,
được xác định theo công thức:
W = γn .hn (2)
Với γn - dung trọng của nước và hn là chiều
sâu tính từ đường bão hòa đến vị trí đang xét.
Hình 3. Mô hình tính toán
1.1m
1.2m
a)
0.4m 1.2m 0.4m
Hình 4. Phân bố (σn-W) xung quanh cống tròn
Phân bố hiệu số của ứng suất và áp lực
nước xung quanh cống cho trường hợp cống
1.1m
hộp (hình 2a) được thể hiện trong hình 5. Kết
quả cho thấy cũng gần như tương tự với
trường hợp cống tròn, giá trị (σn-W) ở bên
b)
cạnh cống bị giảm nhỏ so với trên đỉnh cống,
Hình 2. Mặt cắt cống xem xét và nhỏ hơn 0. Như vậy, có thể suy luận rằng,
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU với cống ngầm dưới đập có hình dạng cống
hộp, có những nguy cơ xuất hiện dòng thấm
Kết quả mô phỏng phân bố hiệu của ứng tập trung dọc mang cống do hiện tượng
suất và áp lực nước tương ứng xung quanh NGTL tương tự với trường hợp cống có hình
cống Z20 (hình 1) được thể hiện trong biểu dạng biên ngoài dạng tròn.
196
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
400.0 Kết quả tính toán cho thấy, khi độ nghiêng mặt
300.0
ngoài của thành cống được tăng lên, giá trị của
(σn-W) trên mặt bên của cống cũng được tăng
200.0 lên tương ứng. Điều này cho thấy việc tăng độ
σn-W (kN/m2)
100.0
nghiêng của tường bên của cống là có lợi trong
việc ngăn chặn sự hình thành dòng thấm tập
0.0 trung dọc mang cống. Bên cạnh đó, độ nghiêng
của tường bên của cống nên được lựa chọn từ
-100.0
khoảng 0,4 trở nên.
-200.0
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 4. KẾT LUẬN
L (m)
Những kết quả tính toán ở trên cho thấy, có
Hình 5. Phân bố (σn-W) xung quanh cống hộp
những nguy cơ hình thành dòng thấm tập trung
400.0 dọc mang cống được gây ra bởi hiện tượng
G =0.1 NGTL, khi cống có hình dạng cống tròn hoặc
300.0 G =0.2 cống hộp. Để giảm thiểu nguy cơ sự cố đập do
G =0.3 hiện tượng này gây ra, hình dạng cống ngầm
dưới đập được kiến nghị để áp dụng vào thực
σn-W (kN/m2)
200.0 G =0.4
G =0.5 tế là cống có mặt ngoài có độ nghiêng lớn hơn
100.0 hoặc bằng 0,4. Ngoài ra, để có thể ngăn chặn
những nguy cơ vỡ đập tại vị trí cống ngầm do
0.0 hiện tượng NGTL gây ra, cùng với thay đổi
hình dạng cống, những biện pháp như làm tầng
-100.0
lọc ngược ở đoạn hạ lưu cống; tăng độ dẻo, độ
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 đầm chặt của đất đắp xung quanh cống cũng
L (m)
nên được áp dụng.
Hình 6. Phân bố (σn-W) xung quanh cống
với độ nghiêng tường bên khác nhau 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Ngambi S., Nakano R., Shimizu H., and
Trong những tiêu chuẩn, hướng dẫn kỹ thuật
Nishimura S., 1998. Cause of leakage along
thiết kế cống ngầm dưới đập ngày nay tại các the outlet conduit underneath a low fill dam
nước tiên tiến như Nhật Bản, Mỹ, hình dạng with special reference to hydraulic
cống được kiến nghị là tường bên cống nên có fracturing. Rural and Environment
độ nghiêng nhất định vừa để thuận tiện cho Engineering (35), pp. 35-46.
việc thi công đầm chặt đất xung quanh cống, [2] Sherard J. L., Decker R. S., and Et-ryker N.
vừa để cải thiện tình hình phân bố ứng suất L., 1972. Hydraulic fracturing in low dams
xung quanh cống, qua đó làm giảm nguy cơ of dispersive clay, Proceedings of ASCE
hình thành dòng thấm tập trung dọc mang cống Specialty Conference on the performance of
được gây ra bởi hiện tương NGTL. Tuy nhiên, earth and earth supported structures,
những giá trị độ nghiêng tới hạn được đưa ra là pp.653-689.
không thống nhất giữa các quốc gia (ví dụ, ở [3] Tran D. Q., Nishimura S., Senge M., and
Nishiyama T., 2018. Research on the cause
Nhật Ggh = 0,1-0,3; ở Mỹ Ggh = 0,1-0,125).
of dam failure from viewpoint of hydraulic
Trong phạm vị của nghiên cứu này, tác giả fracturing – a Case study of a dam failure in
cũng sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để Vietnam. International Journal of
khảo sát ảnh hưởng của độ nghiêng mặt ngoài GEOMATE, 14(41), pp. 86-94.
của thành cống (G) đến nguy cơ xuất hiện hiện
tượng NGTL, kết quả được thể hiện ở hình 6.
197
nguon tai.lieu . vn
