Xem mẫu

  1. ĐÁNH GIÁ ẢNH H ỞNG C A VỊ TRÍ ĐẶT VÀ GÓC NGHIÊNG C A CỪ CHỐNG THẤM ĐẾN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ C A KẾT CẤU DÂNG N C TRẦN THẾ VIỆT, HOÀNG VIỆT HÙNG, BÙI THẾ VĂN* Assessing the influence of the location and angle of inclination of cut- off to the general stability of hydraulic structures Abstract: This study assesses the influence of the location, the angle of inclination of cutoff, and the optimum distance if two cutoffs are used to the general stability of hydraulic structures using the finite element method. For this purpose, different locations of cutoff with various angles of inclination in the dam foundation were simulated and analyzed. The results reveal that when only one vertical cut-off was used, the heel (upstream) of the dam is the optimum location. The corresponding model has the smallest water discharge, risk of erosion and uplift pressure. At this location, the inclination of cut-off of 45o with respect to the upstream surface gives the most beneficial results in decreasing the water discharge and the hydraulic gradient. The smaller the inclination, the safer the dam against the uplift pressure. The use of larger spacing between two vertical cutoff walls under hydraulic structure reduced the water discharge and the risk of erosion. However, the safety against uplift pressure decreases considerably in this case. Therefore, regarding dam with inclined cutoff or having two cutoff, it is suggested that engineer should base on the practical working conditions of the hydraulic structures to select the most suitable scenario. Keywords: cutoff wall, erosion, uplift pressure, water discharge 1. MỞ ĐẦU* là vị trí t i ƣu nhất, có tổn thất thấm, nguy cơ xói Nghiên cứu này đánh giá ảnh hƣởng c a vị trí ngầm và áp lực đ y ngƣợc nhỏ nhất. Ứng v i vị trí đặt, góc nghiêng cừ ch ng thấm và khoảng cách này, đặt cừ nghiêng góc 45 đ so v i mặt thƣợng t i ƣu nếu có hai cừ đƣợc trí đến sự ổn định lƣu cho kết quả lợi nhất về tổn thất thấm và ch ng tổng thể c a kết cấu d ng nƣ c dùng phƣơng pháp xói. Tuy nhiên, góc nghiêng càng l n thì giá trị áp phần tử hữu hạn. Theo đó, m t loạt các phép thử lực đ y ngƣợc lại càng l n. Trƣờng hợp có 2 cừ ứng v i các kịch ản khác nhau về vị trí và góc thẳng đứng v i m t cừ ở mép thƣợng lƣu thì khi nghiêng c a cừ đƣợc tính toán và ph n tích. Kết trí khoảng cách cừ càng nhỏ thì áp lực đ y quả tính cho thấy khi chỉ có m t cừ thẳng đứng ngƣợc càng nhỏ, nhƣng giá trị lƣu lƣợng thấm và dƣ i đáy công trình thì mép thƣợng lƣu công trình nguy cơ xói lại tăng. Do đó, v i trƣờng hợp cừ nghiêng và có hơn m t cừ, cần căn cứ vào điều * Khoa Công Trình, Đại Học Thủ lợi ki n làm vi c thực tế c a công trình để có phƣơng 175 Tâ Sơn - Đống Đa - Hà Nội DĐ: 0912723376 án trí phù hợp. Email:hoangviethung@tlu.edu.vn 40 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018
  2. 2. GIỚI THIỆU CHUNG ngầm trong nền. Do đó, khi thiết kế công trình Các công trình th y công nhƣ đập chắn, c ng th y công trên nền thấm nƣ c, cần lƣu ý vấn đề điều tiết nƣ c, đập tràn, … vv, là những kết cấu an toàn ch ng lật và xói ngầm. M t trong những dùng để kiểm soát và điều tiết nguồn nƣ c. Các phƣơng pháp hữu hi u để duy trì sự an toàn c a kỹ sƣ th y lợi nên quan t m đầy đ đến vi c những công trình này ch ng lại áp lực đ y tính toán những loại kết cấu này để chúng có thể ngƣợc và xói ngầm là giảm tổng áp lực đ y làm vi c theo đúng yêu cầu thiết kế đặt ra. Khi ngƣợc và gradient thấm l n nhất ở cửa ra. Giải m t công trình th y đƣợc x y dựng trên nền pháp công trình thƣờng dùng là thi công thêm thấm nƣ c, sự chênh l ch về c t nƣ c áp giữa tƣờng ch ng thấm (tƣờng ch ng thấm có thể thƣợng và hạ lƣu tạo thành d ng thấm. D ng đƣợc tạo ra ằng công ngh khoan ph t, hào ê thấm di chuyển từ n i có mực nƣ c cao đến nơi tông, đóng cừ thép, …vv) ên dƣ i kết cấu chắn có mực nƣ c thấp hơn làm giảm hi u quả tích giữ [3]. Loại tƣờng này thƣờng đƣợc thiết kế nƣ c c a hồ chứa và làm tăng các nguy cơ mất ằng vật li u có tính thấm nhỏ và có tác d ng ổn định đập do d ng thấm g y ra áp lực đ y giảm tổn thất thấm cũng nhƣ giảm gradient th y ngƣợc lên ản đáy công trình [1]. Ngoài ra, khi lực l n nhất ở cửa ra c a d ng thấm. Bi n pháp gặp điều ki n thuận lợi, d ng thấm có thể kéo này giúp giảm thiểu đáng kể kích thƣ c c a theo các hạt đất trong nền, g y xói ngầm dẫn công trình. đến sự hình thành c a mạch đùn, mạch s i, s t Ƣ c lƣợng giá trị gradient ở cửa ra c a lún. Đ y thƣờng là những nguyên nh n chính d ng thấm, áp lực đ y ngƣợc, và lƣu lƣợng g y ra phá hoại công trình th y công. thấm dƣ i nền đập có vai tr quan trọng trong Do đó, sự tồn tại c a d ng thấm và lực thấm thực tế. Vi c thi công thêm tƣờng ch ng thấm trong nền ên dƣ i kết cấu th y lực đƣợc coi s u dƣ i nền phía trƣ c kết cấu chắn giữ để nhƣ là m t vấn đề quan trọng nhất ảnh hƣởng giảm thiểu tác d ng tiêu cực c a d ng thấm đã đến sự an toàn và ổn định c a công trình. Để đƣợc nghiên cứu và gi i thi u ởi Di Cervila đảm ảo an toàn ch ng lại ảnh hƣởng c a d ng (2004) [4]. Lời giải cho ài toán tính thấm thấm khi thiết kế công trình th y công, có a trong nền nhiều l p ên dƣ i kết cấu chắn giữ vấn đề cần kiểm soát [2]: 1) An toàn ch ng lại có tƣờng cừ ch ng thấm cũng đƣợc phát triển áp lực đ y ngƣợc: áp lực đ y ngƣợc thƣờng xuất ởi Feng and Wu (2006) [5]. Tuy nhiên, hi n hi n do tác d ng c a d ng thấm ên dƣ i kết vẫn có rất ít các nghiên cứu xét đến yếu t góc cấu th y công g y ra m t áp lực tác d ng lên nghiêng c a tƣờng ch ng thấm ([2], [6]). Hơn ản đáy c a kết cấu. Nếu áp lực này vƣợt quá nữa, phần l n các nghiên cứu này thƣờng căn trọng lƣợng ản th n c a kết cấu, sự lật hoặc cứ vào giả thiết đất nền đồng nhất và đẳng trƣợt có thể x y ra. 2) An toàn ch ng xói: d ng hƣ ng có chiều s u hữu hạn. A as (1994) [7] thấm ên dƣ i kết cấu th y lực ắt đầu từ dùng phép iến đổi ảo giác để đƣa ra lời giải thƣợng lƣu thấm xu ng hạ lƣu. Nếu gradient cho ài toán thấm dƣ i đáy đập phẳng có th y lực ở cửa ra l n hơn giá trị gi i hạn c a ch ng thấm ằng cừ nghiêng ở mép phía nền, hi n tƣợng xói ngầm có thể xuất hi n g y thƣợng lƣu c a nền đồng chất và đẳng hƣ ng. ra hi n tƣợng rửa trôi và cu n theo các hạt vật Ông kết luận rằng dùng tƣờng ch ng thấm đặt li u nhỏ trong nền ra ngoài, và 3) Tổn thất thấm nghiêng góc giúp làm tăng h s an toàn quá l n làm giảm hi u quả tích nƣ c c a hồ. ch ng lật và xói ngầm. Thực tế, các công trình th y công thƣờng Ngày nay, các lí thuyết về tính toán thấm qua đƣợc x y dựng trên nền thấm nƣ c. D ng thấm nền đập ê tông khi dùng tƣờng ch ng thấm vẫn trong nền g y ra áp lực thấm và hi n tƣợng xói chƣa thực sự hoàn thi n. Đặc i t khi cần đánh ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 41
  3. giá hi u quả c a tƣờng ch ng thấm khi tƣờng  h – tổng c t nƣ c thấm (m); đƣợc đặt ở các vị trí, góc nghiêng khác nhau, Để thực hi n các m c tiêu đã nêu, trong hoặc khi có nhiều hơn m t tƣờng ch ng thấm nghiên cứu này, nhóm tác giả dùng phƣơng đƣợc dùng. Do đó, nghiên cứu này tập trung vào pháp thử dần, tính toán mô hình v i các hai m c tiêu1). Giúp đánh giá vị trí, góc trƣờng hợp vị trí, góc nghiêng c a tƣờng nghiêng t i ƣu khi đặt tƣờng ch ng thấm dƣ i ch ng thấm khác nhau. Trên cơ sở kết quả so đập ê tông. 2) Chỉ ra khoảng cách t i ƣu khi có sánh về lƣu lƣợng d ng thấm, áp lực thấm hai tƣờng ch ng thấm đƣợc áp d ng. Để thực đ y ngƣợc tác d ng lên ản đáy và gradient hi n các m c tiêu đã nêu, nghiên cứu này đã so thấm ở cửa ra c a d ng thấm, phƣơng án t i sánh hi u quả c a tƣờng ch ng thấm v i các ƣu về vị trí đặt tƣờng, góc nghiêng c a tƣờng thông s thiết kế khác nhau ứng d ng cho m t và khoảng cách t i ƣu nếu có hai tƣờng sẽ đập d ng nƣ c giả định. Ở đ y, vị trí và góc đƣợc chọn. nghiêng c a tƣờng cừ đƣợc thay đổi. Vi c mô phỏng đƣợc tiến hành dùng phƣơng pháp phần 35 MNTL = + 33m tử hữu hạn v i module SEEP/W [8] trong 30 phần mềm Geostudio 2018 c a Canada. Bê tông 25 3. CÔNG CỤ VÀ PHƢƠNG PHÁP 20 NGHIÊN CỨU D ng thấm ên dƣ i đập ê tông tạo thành 15 áp lực đ y ngƣợc tác d ng lên ản đáy. Áp lực 10 này có thể ảnh hƣởng đến sự làm vi c c a đập. Ngoài ra, gradient th y lực ở cửa ra cũng có thể 5 Đất nền hình thành mạch đùn, mạch s i khi đạt t i giá trị 0 0 10 20 30 40 50 t i hạn. Nghiên cứu này đánh giá ảnh hƣởng c a Khoảng cách (m) vị trí và góc nghiêng đặt cừ đến tổn thất thấm, áp lực đ y ngƣợc tác d ng lên ản đáy và Hình 1. Mặt cắt ngang công trình gradient th y lực tại điểm ra phía hạ lƣu c a đập dùng module SEEP/W trong phần mềm Hình 1 mô tả mặt cắt ngang mô phỏng c a Geostudio 2018. SEEP/W là phần mềm giao ài toán gồm m t kết cấu d ng nƣ c cao 10 m, di n đồ họa, dùng để mô hình hóa chuyển đ ng ản đáy r ng 10 m. Mực nƣ c thƣợng lƣu ở c a nƣ c và ph n áp lực nƣ c lỗ rỗng trong cao trình + 33 m; mực nƣ c hạ lƣu sát cao trình môi trƣờng đất đá theo phƣơng pháp phần tử mặt đất phía hạ lƣu. Nền đập là nền thấm nƣ c hữu hạn. SEEP/W có thể ph n tích các ài toán có h s thấm ão h a k = 10 -5 m/s. Bi n pháp tính thấm có áp, không áp, ngấm do mƣa, thấm ch ng thấm áp d ng là trí cừ ch ng thấm từ ồn chứa nƣ c ảnh hƣởng t i mực nƣ c v i chiều dài 12 m. Cừ ch ng thấm đƣợc mô ngầm, …vv. Phƣơng trình cơ ản c a d ng phỏng dƣ i dạng phần tử interface v i h s thấm trong SEEP/W có dạng: thấm rất nhỏ. Cách khai áo loại phần tử này đƣợc thể hi n trong Hình 2. Trƣ c đ y, tƣờng cừ thƣờng đƣợc mô phỏng ằng cách tạo ra 1 trong đó: vùng rỗng trên lƣ i phần tử mà không có vật  q – lƣu lƣợng thấm (m3/s); li u tức là phải tạo ra m t lỗ hổng trên h lƣ i.  ; – h s thấm theo phƣơng ngang và Cách dùng phần tử ề mặt có ƣu thế và cho kết phƣơng đứng; quả chính xác hơn [8]. 42 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018
  4. 4.2 Bài toán 2 Từ vị trí ất lợi nhất đã có từ ài toán 1, góc nghiêng cắm cừ t i ƣu để giảm thiểu tác đ ng ất lợi c a d ng thấm đến công trình đƣợc xác định. Ở đ y, góc nghiêng này đƣợc chọn trên cơ sở ph n tích và đánh giá kết quả tính về lƣu lƣợng thấm, áp lực đ y ngƣợc và Hình 2. Khai báo phần tử interface đặc trưng gradient thấm v i các trƣờng hợp góc cho c chống thấm nghiêng c a cừ ch ng thấm so v i mặt 4. CÁC TRƢỜNG HỢP TÍNH thƣợng lƣu (ngƣợc chiều kim đồng hồ) là Nhƣ đã trình ày ở trên, tác giả dùng phƣơng 15o ; 30 o ; 45 o ; 60 o; 75 o, 90 o ; 105 o ; 120o; 135 o ; pháp thử dần. Đầu tiên, ài toán 1 xác định vị trí 150 o ; 165 o. Hình 4 iểu thị mô hình tính v i t i ƣu c a cừ khi đặt cừ thẳng đứng. Từ vị trí trƣờng hợp cừ nghiêng góc so v i mặt thuận lợi nhất xác định đƣợc, tăng dần góc thƣợng lƣu đập. nghiêng c a cừ để tìm đƣợc góc nghiêng t i ƣu c a cừ ( ài toán 2). Cu i cùng, khoảng cách t i ƣu giữa hai cừ đƣợc xác định nếu thực tế đ i hỏi cần phải trí thêm cừ ch ng thấm ( ài toán 3). Chú ý rằng, vị trí và góc nghiêng t i ƣu c a cừ đƣợc chọn trên cơ sở ph n tích yêu cầu thiết kế. Tùy vào yêu cầu c a ngƣời thiết kế khi ƣu tiên vấn đề ch ng thấm mất nƣ c, ổn định ch ng đ y ngƣợc hay ổn định ch ng xói ngầm. 4.1 Bài toán 1 Sơ đồ tính toán c a ài toán 1 đƣợc thể hi n trên Hình 3. Gọi khoảng cách trí từ thƣợng lƣu đến vị trí cừ là . Xét các trƣờng hợp tỉ s thay đổi tƣơng ứng là 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0. 35 MNTL = + 33m Hình 4. Mô hình tính toán với các đi u kiện 30 biên trong bài toán 2 Bê tông 25 Cừ ch ng 4.3 Bài toán 3 12 m 20 thấm 15 Từ vị trí và góc nghiêng xác định ở ài toán 10 b B 1 và 2, đặt thêm m t cừ song song, v i khoảng 5 Đất nền cách 1m, 2m, 3m, 4m, 5m, 6m, 7m, 8m, 9m, 0 0 10 20 30 40 50 10m. Ph n tích để tìm vị trí đặt hai cừ t i ƣu Khoảng cách (m) nhất. Hình 5 minh họa m t trƣờng hợp tính khi Hình 3. Mô hình tính toán với các đi u kiện khoảng cách giữa hai cừ là . biên trong bài toán 1 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 43
  5. 36 MNTL = + 33m 33 30 27 Bê tông 24 21 18 15 12 9 b 6 B 3 Đất nền 0 Hình 7. Giá trị gradient thủ lực lớn nhất trong 0 10 20 30 40 50 n n và vị trí tường chống thấm Hình 5. Mô hình tính toán với các đi u kiện biên trong bài toán 3 5. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 5.1 Kết quả bài toán 1 Các hình từ Hình 6 đến Hình 8 thể hi n kết quả tính lƣu lƣợng thấm qua nền đập, gradient thấm l n nhất trong nền và tổng cƣờng đ lực đ y ngƣợc tác d ng lên ản đáy. Từ các hình này, có thể thấy rằng nếu chỉ xét đến lƣu lƣợng thấm qua nền và gradient th y lực l n nhất hình thành trong nền thì vị trí t i ƣu c a cừ là ở hai mép thƣợng và hạ lƣu đập. Tuy nhiên, nếu xét đến sự hình thành áp lực đ y Hình 8. Tổng áp lực đ ngược tác d ng l n bản ngƣợc dƣ i ản đáy đập thì vị trí cừ ở mép đá và vị trí tường thƣợng lƣu lại cho giá trị an toàn nhất khi /B càng l n thì giá trị áp lực này cũng tăng. Vậy, vị trí t i ƣu khi có 1 cừ thẳng đứng là vị trí sát 5.2 Kết quả bài toán 2 mép thƣợng lƣu đập. Từ kết quả trong ài toán 1, tác giả chọn vị trí cừ là tại sát mép iên thƣợng lƣu đập. Bài toán 2 sẽ tiếp t c nghiên cứu xác định góc nghiêng t i ƣu c a cừ ằng cách tính thử dần. Các hình từ Hình 9 đến hình 11 thể hi n kết quả tính c t nƣ c tổng, áp lực nƣ c lỗ rỗng (áp lực thấm), gradient thấm dƣ i nền đập và áp lực đ y ngƣợc tác d ng lên ản đáy khi cừ ch ng thấm đặt tại mép sát thƣợng lƣu và nghiêng góc so Hình 6. Quan hệ giữa lưu lượng thấm và vị trí v i mặt thƣợng lƣu. tường chống thấm 44 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018
  6. 5.3 Kết quả bài toán 3 Các hình từ Hình 12 đến Hình 14 trình ày kết quả tính lƣu lƣợng thấm, gradient thấm và áp lực đ y ngƣợc ứng v i trƣờng hợp khi khoảng cách giữa hai cừ iến đổi. Có thể thấy rằng, tổn thất thấm và nguy cơ xói ngầm giảm khi khoảng cách giữa hai cừ tăng. Tuy Hình 9. Quan hệ giữa lưu lượng thấm và g c nhiên, khoảng cách này càng l n thì áp lực nghi ng so với mặt thượng lưu c đ y ngƣợc cũng tăng lên (Hình 14). Do đó, căn cứ vào kết quả tính toán v i nhiều phép Theo kết quả trên Hình 9 và Hình 10 ta thấy, thử ta thấy nếu vấn đề tổn thất thấm và nguy nếu công trình có ƣu tiên về giảm tổn thất thấm cơ xói là là yếu t chính cần lƣu t m thì nên và ch ng xói ngầm thì đặt cừ nghiêng góc 45 đ trí khoảng cách giữa hai cừ càng l n càng so v i mặt thƣợng lƣu là lợi nhất. Cừ đặt t t. Trong khi đó, nếu vấn đề an toàn ch ng nghiêng góc càng l n thì tổn thất thấm và lật là vấn đề chính thì nên giảm khoảng cách gradient th y lực có xu hƣ ng tăng. Tuy nhiên, trí giữa hai cừ. nếu công trình đặt nặng về an toàn ch ng lật thì nên đặt cừ nghiêng góc về phía hạ lƣu công trình. Giá trị góc nghiêng càng l n thì áp lực đ y ngƣợc lên ản đáy càng nhỏ. Hình 12. Quan hệ giữa lưu lượng thấm Q ng với các khoảng cách c khác nhau Hình 10. Giá trị gradient thủ lực lớn nhất trong n n và g c nghi ng so với mặt thượng lưu c Hình 13. Quan hệ giữa giá trị gradient thủ lực Hình 11. Tổng áp lực đ ngược tác d ng l n bản đá và g c nghi ng so với mặt thượng lưu c lớn nhất và khoảng cách giữa hai c ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 45
  7. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chi, N. M., Hau, P. D., & Viet, T. T. (2010). Nghiên cứu đánh giá khả năng mất ổn định thấm nền đê t n cƣơng - Vĩnh Phúc. Vietnam Geotechnical Journal, 3, 31-39. [2] Moharrami, A., Moradi, G., Bonab, M. H., Katebi, J., & Moharrami, G. (2014). Performance of Cutoff Walls Under Hydraulic Hình 14. Quan hệ giữa tổng áp lực đ ngược Structures Against Uplift Pressure and Piping và khoảng cách giữa hai c Phenomenon. Geotech Geol Eng, 33(1), 95-103. doi:DOI 10.1007/s10706-014-9827-7 VI. KẾT LUẬN [3] Vi n Khoa học th y lợi Vi t Nam. Trong nghiên cứu này, phƣơng pháp phần (2012). TCVN 9137: 2012- Công trình th y lợi tử hữu hạn đƣợc áp d ng để ph n tích d ng - Thiết kế đập ê tông và ê tông c t thép. In thấm trong nền công trình th y công dùng cừ (pp. 1-55). Hanoi: B Khoa học và Công ngh . [4] Di Cervila, A. R. (2004). Construction of thép ch ng thấm. Dùng phƣơng pháp thử dần, the Deep Cut-off at the Walter F. George Dam. dựa trên trên quả ph n tích mô hình s ta thấy: Paper presented at the GeoSupport Conference Trƣờng hợp có m t cừ ch ng thấm thẳng 2004, Orlando, Florida, . 1-15 đứng, kết quả ph n tích cho thấy khi chỉ có [5] Feng, Z., & Wu, J. T. H. (2006). The m t cừ thẳng đứng dƣ i đáy công trình thì epsilon method: analysis of seepage beneath an mép thƣợng lƣu đập là vị trí t i ƣu nhất, kết impervious dam with sheet pile on a layered quả cho tổn thất thấm, nguy cơ xói và áp lực soil. Canadian Geotechnical Journal, 43(1), 59– đ y ngƣợc nhỏ nhất. Ứng v i vị trí này, đặt cừ 69. doi:10.1139/T05-092 [6] Alsenousi, K. F., & Mohamed, H. H. (2008). nghiêng góc 45 đ so v i mặt thƣợng lƣu cho Effects of inclined cutoffs and soil foundation kết quả lợi nhất về tổn thất thấm và ch ng xói. characteristics on seepage beneath hydraulic Tuy nhiên, trong trƣờng hợp này, góc nghiêng structures. Paper presented at the Twelfth càng l n thì giá trị áp lực đ y ngƣợc lại càng International Water Technology Conference giảm. Trƣờng hợp có 2 cừ thẳng đứng v i m t IWTC12 2008, Alexandria, Egypt. 1597-1617 cừ ở mép thƣợng lƣu thì khi trí khoảng [7] Abbas, Z. I. (1994). Conformal analysis cách cừ càng nhỏ thì áp lực đ y ngƣợc càng of seepage below a hydraulic structure with an nhỏ, nhƣng giá trị lƣu lƣợng thấm và nguy cơ inclined cutoff. International Jounal for numerical and analytical methods in xói lại càng tăng. Do đó, v i trƣờng hợp cừ Geomechanics, 345-353. nghiêng và có hơn m t cừ, cần căn cứ vào [8] Geoslope_International_Ltd. (2018). Seep/W điều ki n làm vi c thực tế c a công trình để có user's guide for finite element analyses. Calgary, phƣơng án trí phù hợp. Alberta, Canada: Geoslope International Ltd. Người phản biện: PGS.TS VƢƠNG VĂN THÀNH 46 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018
nguon tai.lieu . vn