Đánh giá ảnh hưởng của vị trí đặt và góc nghiêng của cừ chống thấm đến ổn định tổng thể của kết cấu dâng nước

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 40 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 45 o 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* Nghiên cứu này đánh giá ảnh hƣởng c a vị trí đặt, góc nghiêng cừ ch ng thấm và khoảng cách t i ƣu nếu có hai cừ đƣợc trí đến sự ổn định tổng thể c a kết cấu d ng nƣ c dùng phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Theo đó, m t loạt các phép thử ứng v i các kịch ản khác nhau về vị trí và góc nghiêng c a cừ đƣợc tính toán và ph n tích. Kết quả tính cho thấy khi chỉ có m t cừ thẳng đứng dƣ i đáy công trình thì mép thƣợng lƣu công trình * Khoa Công Trình, Đại Học Thủ lợi 175 Tâ Sơn - Đống Đa - Hà Nội DĐ: 0912723376 Email:hoangviethung@tlu.edu.vn là vị trí t i ƣu nhất, có tổn thất thấm, nguy cơ xói ngầm và áp lực đ y ngƣợc nhỏ nhất. Ứng v i vị trí này, đặt cừ nghiêng góc 45 đ so v i mặt thƣợng lƣu cho kết quả lợi nhất về tổn thất thấm và ch ng xói. Tuy nhiên, góc nghiêng càng l n thì giá trị áp lực đ y ngƣợc lại càng l n. Trƣờng hợp có 2 cừ thẳng đứng v i m t cừ ở mép thƣợng lƣu thì khi trí khoảng cách cừ càng nhỏ thì áp lực đ y ngƣợc càng nhỏ, nhƣng giá trị lƣu lƣợng thấm và nguy cơ xói lại tăng. Do đó, v i trƣờng hợp cừ nghiêng và có hơn m t cừ, cần căn cứ vào điều ki n làm vi c thực tế c a công trình để có phƣơng án trí phù hợp. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 41 2. GIỚI THIỆU CHUNG Các công trình th y công nhƣ đập chắn, c ng điều tiết nƣ c, đập tràn, vv, là những kết cấu dùng để kiểm soát và điều tiết nguồn nƣ c. Các kỹ sƣ th y lợi nên quan t m đầy đ đến vi c tính toán những loại kết cấu này để chúng có thể làm vi c theo đúng yêu cầu thiết kế đặt ra. Khi m t công trình th y đƣợc x y dựng trên nền thấm nƣ c, sự chênh l ch về c t nƣ c áp giữa thƣợng và hạ lƣu tạo thành d ng thấm. D ng thấm di chuyển từ n i có mực nƣ c cao đến nơi có mực nƣ c thấp hơn làm giảm hi u quả tích nƣ c c a hồ chứa và làm tăng các nguy cơ mất ổn định đập do d ng thấm g y ra áp lực đ y ngƣợc lên ản đáy công trình [1]. Ngoài ra, khi gặp điều ki n thuận lợi, d ng thấm có thể kéo theo các hạt đất trong nền, g y xói ngầm dẫn đến sự hình thành c a mạch đùn, mạch s i, s t lún. Đ y thƣờng là những nguyên nh n chính g y ra phá hoại công trình th y công. Do đó, sự tồn tại c a d ng thấm và lực thấm trong nền ên dƣ i kết cấu th y lực đƣợc coi nhƣ là m t vấn đề quan trọng nhất ảnh hƣởng đến sự an toàn và ổn định c a công trình. Để đảm ảo an toàn ch ng lại ảnh hƣởng c a d ng thấm khi thiết kế công trình th y công, có a vấn đề cần kiểm soát [2]: 1) An toàn ch ng lại áp lực đ y ngƣợc: áp lực đ y ngƣợc thƣờng xuất hi n do tác d ng c a d ng thấm ên dƣ i kết cấu th y công g y ra m t áp lực tác d ng lên ản đáy c a kết cấu. Nếu áp lực này vƣợt quá trọng lƣợng ản th n c a kết cấu, sự lật hoặc trƣợt có thể x y ra. 2) An toàn ch ng xói: d ng thấm ên dƣ i kết cấu th y lực ắt đầu từ thƣợng lƣu thấm xu ng hạ lƣu. Nếu gradient th y lực ở cửa ra l n hơn giá trị gi i hạn c a nền, hi n tƣợng xói ngầm có thể xuất hi n g y ra hi n tƣợng rửa trôi và cu n theo các hạt vật li u nhỏ trong nền ra ngoài, và 3) Tổn thất thấm quá l n làm giảm hi u quả tích nƣ c c a hồ. Thực tế, các công trình th y công thƣờng đƣợc x y dựng trên nền thấm nƣ c. D ng thấm trong nền g y ra áp lực thấm và hi n tƣợng xói ngầm trong nền. Do đó, khi thiết kế công trình th y công trên nền thấm nƣ c, cần lƣu ý vấn đề an toàn ch ng lật và xói ngầm. M t trong những phƣơng pháp hữu hi u để duy trì sự an toàn c a những công trình này ch ng lại áp lực đ y ngƣợc và xói ngầm là giảm tổng áp lực đ y ngƣợc và gradient thấm l n nhất ở cửa ra. Giải pháp công trình thƣờng dùng là thi công thêm tƣờng ch ng thấm (tƣờng ch ng thấm có thể đƣợc tạo ra ằng công ngh khoan ph t, hào ê tông, đóng cừ thép, vv) ên dƣ i kết cấu chắn giữ [3]. Loại tƣờng này thƣờng đƣợc thiết kế ằng vật li u có tính thấm nhỏ và có tác d ng giảm tổn thất thấm cũng nhƣ giảm gradient th y lực l n nhất ở cửa ra c a d ng thấm. Bi n pháp này giúp giảm thiểu đáng kể kích thƣ c c a công trình. Ƣ c lƣợng giá trị gradient ở cửa ra c a d ng thấm, áp lực đ y ngƣợc, và lƣu lƣợng thấm dƣ i nền đập có vai tr quan trọng trong thực tế. Vi c thi công thêm tƣờng ch ng thấm s u dƣ i nền phía trƣ c kết cấu chắn giữ để giảm thiểu tác d ng tiêu cực c a d ng thấm đã đƣợc nghiên cứu và gi i thi u ởi Di Cervila (2004) [4]. Lời giải cho ài toán tính thấm trong nền nhiều l p ên dƣ i kết cấu chắn giữ có tƣờng cừ ch ng thấm cũng đƣợc phát triển ởi Feng and Wu (2006) [5]. Tuy nhiên, hi n vẫn có rất ít các nghiên cứu xét đến yếu t góc nghiêng c a tƣờng ch ng thấm ([2], [6]). Hơn nữa, phần l n các nghiên cứu này thƣờng căn cứ vào giả thiết đất nền đồng nhất và đẳng hƣ ng có chiều s u hữu hạn. A as (1994) [7] dùng phép iến đổi ảo giác để đƣa ra lời giải cho ài toán thấm dƣ i đáy đập phẳng có ch ng thấm ằng cừ nghiêng ở mép phía thƣợng lƣu c a nền đồng chất và đẳng hƣ ng. Ông kết luận rằng dùng tƣờng ch ng thấm đặt nghiêng góc giúp làm tăng h s an toàn ch ng lật và xói ngầm. Ngày nay, các lí thuyết về tính toán thấm qua nền đập ê tông khi dùng tƣờng ch ng thấm vẫn chƣa thực sự hoàn thi n. Đặc i t khi cần đánh ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 42 giá hi u quả c a tƣờng ch ng thấm khi tƣờng đƣợc đặt ở các vị trí, góc nghiêng khác nhau, hoặc khi có nhiều hơn m t tƣờng ch ng thấm đƣợc dùng. Do đó, nghiên cứu này tập trung vào hai m c tiêu1). Giúp đánh giá vị trí, góc nghiêng t i ƣu khi đặt tƣờng ch ng thấm dƣ i đập ê tông. 2) Chỉ ra khoảng cách t i ƣu khi có hai tƣờng ch ng thấm đƣợc áp d ng. Để thực hi n các m c tiêu đã nêu, nghiên cứu này đã so sánh hi u quả c a tƣờng ch ng thấm v i các thông s thiết kế khác nhau ứng d ng cho m t đập d ng nƣ c giả định. Ở đ y, vị trí và góc nghiêng c a tƣờng cừ đƣợc thay đổi. Vi c mô phỏng đƣợc tiến hành dùng phƣơng pháp phần tử hữu hạn v i module SEEP/W [8] trong phần mềm Geostudio 2018 c a Canada. 3. CÔNG CỤ VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU D ng thấm ên dƣ i đập ê tông tạo thành áp lực đ y ngƣợc tác d ng lên ản đáy. Áp lực 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 hình thành mạch đùn, mạch s i khi đạt t i giá trị t i hạn. Nghiên cứu này đánh giá ảnh hƣởng c a vị trí và góc nghiêng đặt cừ đến tổn thất thấm, áp lực đ y ngƣợc tác d ng lên ản đáy và gradient th y lực tại điểm ra phía hạ lƣu c a đập dùng module SEEP/W trong phần mềm Geostudio 2018. SEEP/W là phần mềm giao di n đồ họa, dùng để mô hình hóa chuyển đ ng c a nƣ c và ph n áp lực nƣ c lỗ rỗng trong môi trƣờng đất đá theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn. SEEP/W có thể ph n tích các ài toán tính thấm có áp, không áp, ngấm do mƣa, thấm từ ồn chứa nƣ c ảnh hƣởng t i mực nƣ c ngầm, vv. Phƣơng trình cơ ản c a d ng thấm trong SEEP/W có dạng: trong đó:  q – lƣu lƣợng thấm (m3/s);  ; – h s thấm theo phƣơng ngang và phƣơng đứng;  h – tổng c t nƣ c thấm (m); Để thực hi n các m c tiêu đã nêu, trong nghiên cứu này, nhóm tác giả dùng phƣơng pháp thử dần, tính toán mô hình v i các trƣờng hợp vị trí, góc nghiêng c a tƣờng ch ng thấm khác nhau. Trên cơ sở kết quả so sánh về lƣu lƣợng d ng thấm, áp lực thấm đ y ngƣợc tác d ng lên ản đáy và gradient thấm ở cửa ra c a d ng thấm, phƣơng án t i ƣu về vị trí đặt tƣờng, góc nghiêng c a tƣờng và khoảng cách t i ƣu nếu có hai tƣờng sẽ đƣợc chọn. MNTL = + 33m Đất nền Khoảng cách (m) Bê tông 0 10 20 30 40 50 0 5 10 15 20 25 30 35 Hình 1. Mặt cắt ngang công trình Hình 1 mô tả mặt cắt ngang mô phỏng c a ài toán gồm m t kết cấu d ng nƣ c cao 10 m, ản đáy r ng 10 m. Mực nƣ c thƣợng lƣu ở cao trình + 33 m; mực nƣ c hạ lƣu sát cao trình mặt đất phía hạ lƣu. Nền đập là nền thấm nƣ c có h s thấm ão h a k = 10-5 m/s. Bi n pháp ch ng thấm áp d ng là trí cừ ch ng thấm v i chiều dài 12 m. Cừ ch ng thấm đƣợc mô phỏng dƣ i dạng phần tử interface v i h s 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 vùng rỗng trên lƣ i phần tử mà không có vật li u tức là phải tạo ra m t lỗ hổng trên h lƣ i. Cách dùng phần tử ề mặt có ƣu thế và cho kết quả chính xác hơn [8]. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 43 Hình 2. Khai báo phần tử interface đặc trưng cho c chống thấm 4. CÁC TRƢỜNG HỢP TÍNH Nhƣ đã trình ày ở trên, tác giả dùng phƣơng pháp thử dần. Đầu tiên, ài toán 1 xác định vị trí t i ƣu c a cừ khi đặt cừ thẳng đứng. Từ vị trí thuận lợi nhất xác định đƣợc, tăng dần góc 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. MNTL = + 33m Đất nền Khoảng cách (m) b Bê tông B Cừ ch ng thấm 12 m 0 10 20 30 40 50 0 5 10 15 20 25 30 35 Hình 3. Mô hình tính toán với các đi u kiện biên trong bài toán 1 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 gradient thấm v i các trƣờng hợp góc nghiêng c a cừ ch ng thấm so v i mặt thƣợng lƣu (ngƣợc chiều kim đồng hồ) là 15 o ; 30 o ; 45 o ; 60 o ; 75 o , 90 o ; 105 o ; 120 o ; 135 o ; 150 o ; 165 o. Hình 4 iểu thị mô hình tính v i trƣờng hợp cừ nghiêng góc so v i mặt thƣợng lƣu đập. Hình 4. Mô hình tính toán với các đi u kiện biên trong bài toán 2 4.3 Bài toán 3 Từ vị trí và góc nghiêng xác định ở ài toán 1 và 2, đặt thêm m t cừ song song, v i khoảng cách 1m, 2m, 3m, 4m, 5m, 6m, 7m, 8m, 9m, 10m. Ph n tích để tìm vị trí đặt hai cừ t i ƣu nhất. Hình 5 minh họa m t trƣờng hợp tính khi khoảng cách giữa hai cừ là . ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 44 MNTL = + 33m Đất nền B Bê tông b 0 10 20 30 40 50 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 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 ngƣợc dƣ i ản đáy đập thì vị trí cừ ở mép 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 mép thƣợng lƣu đập. Hình 6. Quan hệ giữa lưu lượng thấm và vị trí tường chống thấm Hình 7. Giá trị gradient thủ lực lớn nhất trong n n và vị trí tường chống thấm Hình 8. Tổng áp lực đ ngược tác d ng l n bản đá và vị trí tường 5.2 Kết quả bài toán 2 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 v i mặt thƣợng lƣu. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 45 Hình 9. Quan hệ giữa lưu lượng thấm và g c nghi ng so với mặt thượng lưu c Theo kết quả trên Hình 9 và Hình 10 ta thấy, nếu công trình có ƣu tiên về giảm tổn thất thấm và ch ng xói ngầm thì đặt cừ nghiêng góc 45 đ so v i mặt thƣợng lƣu là lợi nhất. Cừ đặt nghiêng góc càng l n thì tổn thất thấm và gradient th y lực có xu hƣ ng tăng. Tuy nhiên, 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 10. Giá trị gradient thủ lực lớn nhất trong n n và g c nghi ng so với mặt thượng lưu c 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 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 nhiên, khoảng cách này càng l n thì áp lực đ y ngƣợc cũng tăng lên (Hình 14). Do đó, căn cứ vào kết quả tính toán v i nhiều phép thử ta thấy nếu vấn đề tổn thất thấm và nguy cơ xói là là yếu t chính cần lƣu t m thì nên trí khoảng cách giữa hai cừ càng l n càng t t. Trong khi đó, nếu vấn đề an toàn ch ng lật là vấn đề chính thì nên giảm khoảng cách trí giữa hai cừ. Hình 12. Quan hệ giữa lưu lượng thấm Q ng với các khoảng cách c khác nhau Hình 13. Quan hệ giữa giá trị gradient thủ lực lớn nhất và khoảng cách giữa hai c ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 46 Hình 14. Quan hệ giữa tổng áp lực đ ngược và khoảng cách giữa hai c VI. KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, phƣơng pháp phần tử hữu hạn đƣợc áp d ng để ph n tích d ng thấm trong nền công trình th y công dùng cừ thép ch ng thấm. Dùng phƣơng pháp thử dần, dựa trên trên quả ph n tích mô hình s ta thấy: Trƣờng hợp có m t cừ ch ng thấm thẳng đứng, kết quả ph n tích cho thấy khi chỉ có m t cừ thẳng đứng dƣ i đáy công trình thì mép thƣợng lƣu đập là vị trí t i ƣu nhất, kết quả cho tổn thất thấm, nguy cơ xói và áp lực đ y ngƣợc nhỏ nhất. Ứng v i vị trí này, đặt cừ nghiêng góc 45 đ so v i mặt thƣợng lƣu cho kết quả lợi nhất về tổn thất thấm và ch ng xói. Tuy nhiên, trong trƣờng hợp này, góc nghiêng càng l n thì giá trị áp lực đ y ngƣợc lại càng giảm. Trƣờng hợp có 2 cừ thẳng đứng v i m t cừ ở mép thƣợng lƣu thì khi trí khoảng cách cừ càng nhỏ thì áp lực đ y ngƣợc càng nhỏ, nhƣng giá trị lƣu lƣợng thấm và nguy cơ xói lại càng tăng. Do đó, v i trƣờng hợp cừ nghiêng và có hơn m t cừ, cần căn cứ vào điều ki n làm vi c thực tế c a công trình để có phƣơng án trí phù hợp. 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 Structures Against Uplift Pressure and Piping Phenomenon. Geotech Geol Eng, 33(1), 95-103. doi:DOI 10.1007/s10706-014-9827-7 [3] Vi n Khoa học th y lợi Vi t Nam. (2012). TCVN 9137: 2012- Công trình th y lợi - Thiết kế đập ê tông và ê tông c t thép. In (pp. 1-55). Hanoi: B Khoa học và Công ngh . [4] Di Cervila, A. R. (2004). Construction of the Deep Cut-off at the Walter F. George Dam. Paper presented at the GeoSupport Conference 2004, Orlando, Florida, . 1-15 [5] Feng, Z., & Wu, J. T. H. (2006). The epsilon method: analysis of seepage beneath an impervious dam with sheet pile on a layered soil. Canadian Geotechnical Journal, 43(1), 59– 69. doi:10.1139/T05-092 [6] Alsenousi, K. F., & Mohamed, H. H. (2008). Effects of inclined cutoffs and soil foundation characteristics on seepage beneath hydraulic structures. Paper presented at the Twelfth International Water Technology Conference IWTC12 2008, Alexandria, Egypt. 1597-1617 [7] Abbas, Z. I. (1994). Conformal analysis of seepage below a hydraulic structure with an inclined cutoff. International Jounal for numerical and analytical methods in Geomechanics, 345-353. [8] Geoslope_International_Ltd. (2018). Seep/W user's guide for finite element analyses. Calgary, Alberta, Canada: Geoslope International Ltd. Người phản biện: PGS.TS VƢƠNG VĂN THÀNH