NGHIÊN CỨU TÍNH THẤM QUA ĐẬP ĐẤT NHIỀU KHỐI CÓ DẢI LỌC ĐỨNG.

NGHIÊN CỨU TÍNH THẤM QUA ĐẬP ĐẤT NHIỀU KHỐI CÓ DẢI
LỌC ĐỨNG.
STUDYING THE SEEPAGE OF EARTH DAMS WITH VERTICAL DRAINAGE
SVTH: Nguyễn Văn Nhân
Lớp: 01X
2
B - Khoa XDTL-TĐ
CBHD: GVC.ThS. Lê Văn Hợi
TÓM TẮT
Đề tài này nghiên cứu tính thấm qua đập đất nhiều khối có dải lọc đứng bằng phương pháp
Thủy Lực học và phương pháp Phần Tử Hữu Hạn với phần mềm Seep/w trên mô hình đập thực tế.
Kết quả của hai phương pháp được so sánh để có những kết luận cần thiết, giúp cho việc tính toán
thiết kế loại đập này được an toàn và tiết kiệm.
ABSTRACT
Based on the Method hydraulics and the finite element technique with modul Seep/W, this
paper studied the seepage of earth dams with vertical drainage. The results from two methods has
been compared to draw conclusions which are necessary to look for the sensible way of designe of
earth dams.
1. MỞ ĐẦU
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Nam Trung bộ và Tây Nguyên là khu vực có điều kiện tự nhiên khá phức tạp, vật
liệu đất đắp đập có nhiều tính chất đặc biệt (trương nở, co ngót , lún ướt, tan rã), là nơi
đã xãy ra nhiều sự cố về đập nhất nước ta trong thập niên 80-90. Đã có nhiều hội thảo,
nhiều đề tài nghiên cứu khoa học để phân tích nguyên nhân và đề xuất biện pháp khắc
phục cho hạng mục đập trong công tác thiết kế , thi công, quản lý vận hành. Qua đó đã
đề xuất kết cấu đập vật liệu địa phương hợp lý cho khu vực là đập nhiều khối.
Nhằm khắc phục các tính chất đặc biệt của đất đắp đập ở khu vực miền Trung, cho
đến nay thì đã có nhiều giải pháp. Giải pháp mặt cắt đập nhiều khối được các nhà khoa
học, các kỹ sư tư vấn thiết kế đề xuất sau sự cố đập Suối Hành đã được áp dụng khá
phổ biến và cơ sở khoa học thiết kế mặt cắt hợp lý của đập nhiều khối có dải lọc cũng
đã được các nhà khoa học nghiên cứu đưa ra.

Tuy nhiên, một vấn đề nảy sinh khi ra đời loại đập nhiều khối có dải lọc đứng đó là
mô hình hoá sơ đồ và phương pháp tính thấm cho loại đập này hiện tại còn nhiều khó
khăn và bất cập, chưa có một quy định thống nhất nhất nào đưa ra về phương pháp tính
thấm cho đập đất loại này.
Vì vậy “Nghiên cứu tính thấm qua đập đất nhiều khối có dải lọc đứng ” là vấn
đề cần thiết, mang tính thực tiễn cao.
1.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài
• Đưa ra được những nhận định về phương pháp tính thấm hiện nay (phương phápThủy
Lực học) khi áp dụng đối với loại đập nhiều khối có dải lọc nước trong thân đập.
• Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ chỉ ra tính hợp lý của các quan niệm sơ đồ tính thấm
và đề xuất phương pháp tính nên áp dụng cho loại đập này.
1.3 Đối tượng nghiên cứu
Đề tài sẽ đi theo hướng phân tích tính toán cho một mô hình thực tế về loại đập có mặt
cắt 3 khối có dải lọc phổ biến hiện nay ở Miền Trung và Tây Nguyên .
Trên cơ sở ứng dụng phương pháp Thủy Lực học và phương pháp PTHH để tính thấm
xác định 3 đại lượng cơ bản:
• Lưu lượng thấm
• Đường bảo hòa trong thân đập.
• Gradien thấm trong thân đập và các vùng tiếp giáp.
1
1.4 Phm vi nghiờn cu
Loi p nghiờn cu: p t 3 khi vt liu a phng cú di lc ng
trong thõn p.
Phng phỏp tớnh toỏn: Phng phỏp Thy Lc v s phn mm SEEP/W.
1.5 í ngha khoa hc ca ti
Trờn c s nhng kt qu t c, ti nghiờn cu s xut phng phỏp tớnh
thm thớch hp, an ton hn phng phỏp Thy Lc hc hin nay khi ỏp dng cho loi
p t cú mt ct nhiu khi cú di lc. Loi p ph bin Min Trung v Tõy
Nguyờn nc ta.
2. TNG QUAN

2.1 c im loi p nhiu khi cú di lc
Hỡnh thc v kt cu p gm cú 3 khi chớnh v, mt s b phn chng thm v
tiờu nc. Mt khi, b phn u cú chc nng nhim v khỏc nhau v c p bng
nhng loi vt liu t, ỏ cú nhng c tớnh khụng ging nhau.
Di õy l vi thụng s trung bỡnh ca vt liu p p vựng duyờn hi Min Trung:
TT Khi p E
(KN/m
2
)
à
c
(T/m
3
)
K
(m/s)
1 Khi A 8.10
3
0,35 1,80 10
-6
2 Khi lừi B 9.10
3
0,42 1,71 10
-7
3 Khi ng khúi 4.10
4
0,3 10
-3
4 Khi C 8.10
3

0,35 1,8 5.10
-5
5 Thm ỏ tiờu nc 1,2.10
5
0,3 10
-1
6 ng ỏ tiờu nc 1,2.10
5
0,3 10
-1

A
C
MT CếT P IỉN HầNH
(1:500)
B
caùt loỹc
m
t
3
m
t
2
m
t
1
m
h
2
m

h
1
MNTL
MNC
1b
3
47.53
18 15 18 15 12 15 22 5 10 10 22 24.5 25
47.53
47.3
47.00
46.59
45.05
44.71
43.4
43.7
42.35
42.96
42.68
30
40
50
MNHL
Hỡnh 1.1 Mt ct in hỡnh ca loi p nhiu khi cú di lc ng
kt qu tớnh toỏn c khỏch quan v mang tớnh thc t, trong quỏ trỡnh tớnh
toỏn ngi nghiờn cu s dng mt ct v s liu ca p t Nỳi Ngang tnh Qung Ngói
vi trng hp tớnh toỏn nh sau:
+ Thng lu: MNBT : H
1
= 25m

+ H lu : Mc nc tng ng H
2
= 5.5m
+ Vt thoỏt nc lm vic bỡnh thng.
+ Nn khụng thm nc.
2
C
B
A
H1=25.00
H2=5.50
x
5.00
δ1=
8.50
5.00
3.50
3.50
L1=79.70
δ2=
37.00 L2=63.00
L=179.70
K
3
= 5x10 m/s
45.00
38.60
46.85
27.38
26.55

25.50
6.5
40.60
32.60
20.00
45.85
1.50
2.60
MNGBT
48.80
-5
K
2
= 1x10 m/s
-7
K
dl
= 1x10 m/s
-3
K
1
= 1x10 m/s
-6
K
dl
= 1x10 m/s
-1
m
=
4

m
=
3
.
5
m
=
3
m
=
2
.
5
m
=
3
Hình 2.1 Mặt cắt thực tế của đập đất Núi Ngang tỉnh Quảng Ngãi.
2.2 Những tồn tại và những vấn đề mà đề tài sẽ giải quyết
Như đã trình bày trong phần mở đầu thì những tồn tại hiện nay là việc chọn một
phương pháp thích hợp để giải bài toán thấm cho loại đập nói trên còn chưa thống nhất và
có những quy định chặt chẽ.
Đề tài sẽ đi vào phân tích cụ thể bài toán thấm qua loại đập nói trên trên mô hình đập
thực tế bằng hai phương pháp phổ biến hiện nay (phương pháp thủy lực và phương pháp
PTHH) để đưa ra những nhận định đúng đắn về hai phương pháp này khi áp dụng tính
thấm cho loại đập trên.
3 . NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ LÝ THUYẾT
3.1 Các quan niệm về sơ đồ tính thấm bằng phương pháp thủy lực học
- Sơ đồ 1: Ta chỉ tính thấm qua đập gồm có hai khối A,B, không xét phần phía sau (bỏ
qua dải lọc và khối C), hạ lưu có nước, vật thoát nước làm việc bình thường.

- Sơ đồ 2: Xem đập như đập ba khối A,B,C trong đó khối B là lõi giữa. (Bỏ qua hoàn
toàn dải lọc). Mô hình tính toán đập gồm có : Khôí A, B (lõi giữa), khối C, vật thoát nước
làm việc bình thường, mực nước hạ lưu là H
2
, nền không thấm nước.
- Sơ đồ 3: Xem dòng thấm sau khi qua hai khối A,B sẽ tập trung hết vào dải lọc thấm
về vật thoát nước dưới dạng dòng thấm có áp. Mô hình tính toán đập gồm có : Khối A,
B(lõi giữa), khối C, vật thoát nước làm việc bình thường, mực nước hạ lưu là H
2
, nền
không thấm nước.
3.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn vận dụng vào tính thấm
3.2.1 Các loại bài toán biên thường gặp
Trong lĩnh vực kỹ thuật thường hay gặp các loại bài toán biên sau:
Bài toán Dirichlet, Bài toán Neumann và Bài toán hỗn hợp.
3.2.2 Định luật Darcy
Việc tính toán thấm cho đất bảo hòa và đất không bão hòa đều tuân theo định
luật thấm của Darcy gọi là định luật Darcy:
Q = k.J.ω (4-1)
Trong đó:
- Q : lượng nước thấm qua đất trong một đơn vị thời gian hay gọi là lưu lượng
thấm, (m
3
/s, l/s).
- k : hệ số thấm (m/s, cm/s).
-
l
h
J
∆

=
: gradient thấm.
- ω : diện tích tiết diện thấm (m
2
, cm
2
).
3
3.2.3 Phương trình dòng chảy ổn định trong môi trường đất bão hòa nước
Phương trình của dòng nước ngầm chảy ổn định trong môi trường thấm bão hòa
trong mặt phẳng hai chiều được viết như sau:
0q
y
h
K
yx
h
K
x
yx
=+








∂

∂
∂
∂
+






∂
∂
∂
∂
(2-3)
Trong đó
- K
x
, K
y
là hệ số thấm của tầng thấm theo các hướng của trục toạ độ x, y.
- h : cột áp thủy lực.
- q : lưu lượng tại điểm nguồn hoặc điểm rò, q có giá trị (-) nếu lưu lượng lấy ra
khỏi miền, q có giá trị (+) khi có lưu lượng bổ sung vào miền.
3.2.4 Phương trình dòng chảy không ổn định trong môi trường đất bão hòa nước
Phương trình của dòng nước ngầm thấm không ổn định trong môi trường bão hòa
nước trong mặt phẳng được viết như sau:
t
h
Sq

y
h
K
yx
h
K
x
0yx
∂
∂
=+








∂
∂
∂
∂
+







∂
∂
∂
∂
(2-4)
Trong đó :
- t : thời gian.
- S
0
: độ trử nước riêng của tầng thấm nước với S
0
= m
w
.
w
γ
.
-
w
γ
: trọng lượng riêng của nước.
- m
w

: độ dốc của đường cong trử nước; m
w
=
w
u
Θ∂

.
- u
w
: áp lực nước lỗ rỗng.
-
V
V
w
=Θ
; V
w
: thể tích nước trong lổ rỗng của đất; V: tổng thể tích.
Như vậy để tính thấm qua đập đất, SEEP/W giải hai phương trình : Thấm ổn định (2-3) và
thấm không ổn định (2-4).
4. QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ
4.1 Quá trình nghiên cứu
- Quá trình thứ nhất: Tiến hành tính toán với phương pháp Thủy Lực bằng những quan
niệm về sơ đồ tính khác nhau như đã trình bày tại (III.1).
- Quá trình thứ hai:Tiến hành tính toán bằng phương pháp PTHH với phần mềm Seep/w
4.2 Kết quả nghiên cứu
Các kết quả nghiên cứu được thể hiện trong các bảng và các hình vẽ dưới đây:
Bảng 4-1 Kết quả tính toán lưu lượng thấm qua đập của hai phương pháp
Sơ đồ q
tlực
(10
-6
m
3
/s) q
seep

(10
-6
m
3
/s)
∆q(10
-6
m
3
/s)
I 1.24129 1.29740 0.05611
II 1.23794 1.29740 0.05946
III 1.24116 1.29740 0.05624
Bảng 4-2 Kết quả tính toán Gradien trong các khối đập của hai phương pháp
Sơ đồ Đoạn trước lõi Đoạn lõi Đoạn sau lõi
J
K(TL)
J
K(S)
∆J
K
J
K(TL)
J
K(S)
∆J
K
J
K(TL)
J

K(S)
∆J
K
I 0.0606 0.2 0.1394 0.830 1.0 0.17 0.000000 0.7 0.7
II 0.0605 0.2 0.1395 0.824 1.0 0.176 0.00440
0
0.7 0.6956
III 0.0606 0.2 0.1394 0.830 1.0 0.17 0.000225 0.7 0.69977
4
MNDBT: +45.50m


0
.
1




0
.
2




0
.
7

1




1
.
2
9
7
4
e
-
0
0
6




1
.
3
0
0
4
e

-
0
0
6




4
.
3
3
6
0
e
-
0
0
7


CHIEU DAI
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
C
A
O

D
O
10

15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Hình 4.1 Sơ đồ mô tả Gradien & đường bão hòa trong thân đập khi tính bằng Seep/w.
y
H2=5.50
H1=25.00
C
A'
B
a'
a
D
A
B'
C'
MNGBT
C
B
A
Hc = H2

x
Hình 4.2 Đường bão hòa trong thân đập tính bằng phương pháp Thủy Lực (a)
và tính bằng Seep/W (a’) của sơ đồ tính thứ I
a
a'
C'
B'
A'
D
A
C
B
H1=25.00
H2=5.50
y
x
A
B
C
MNGBT
Hình 4.3 Đường bão hòa trong thân đập tính bằng phương pháp Thủy Lực
và tính bằng Seep/W của sơ đồ tính thứ II.
B'
A'
a
a'
C'
MNGBT
C
B

A
x
y
H2=5.50
H1=25.00
B
C
A
D
Hình 4.4 Đường bão hòa trong thân đập tính bằng phương pháp Thủy Lực
và tính bằng Seep/W của sơ đồ tính thứ III.
4.3 Bàn luận kết quả nghiên cứu
- Lưu lượng thấm qua thân đập nhận được qua hai phương pháp chênh lệch rõ rệt .
- Lưu lượng thấm nhận được của phương pháp thủy lực nhỏ hơn khi tính bằng
phần mềm Seep/W, điều này là rất nguy hiểm khi đưa vào thiết kế công trình.
- Gradien nhận được của phương pháp thủy lực là Gradient trung bình cho các khối
đập đã được biến đổi .
- Gradien nhận được từ kết quả tính toán bằng phần mềm Seep/W là Gradien Max
tại các điểm khác nhau trên các khối đập của mô hình thực.
5