Nghiên cứu thấm không gian qua đập đất của công trình thượng kon tum

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

NGUYỄN DƢ

NGHIÊN CỨU THẤM KHƠNG GIAN QUA ĐẬP ĐẤT CỦA
CƠNG TRÌNH THƢỢNG KON TUM

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy

Đà Nẵng – Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

NGUYỄN DƢ

NGHIÊN CỨU THẤM KHƠNG GIAN QUA ĐẬP ĐẤT CỦA
CƠNG TRÌNH THƢỢNG KON TUM

Chun ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy
Mã số:
8580202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hƣớng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Thế Hùng

Đà Nẵng – Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.
Tác giả luận văn

Nguyễn Dƣ


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

..................................................................................................................... 1

1. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu ......................................................................................................... 2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................................... 2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................................... 2
6. Cấu trúc của luận văn ........................................................................................................ 3
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ...................................................................................................... 4

1.1. Tổng quan về đập đất ....................................................................................... 4
1.2. Tổng quan về dòng thấm đối với đập đất ........................................................ 4

1.2.1. Ảnh hƣởng của dòng thấm đối với đập đất............................................... 4
1.2.2. Thấm phẳng và thấm không gian qua đập đất .......................................... 5
1.3. Tình hình giải bài tốn thấm ............................................................................ 6
1.3.1. Tình hình giải bài tốn thấm ở nƣớc ngồi [3] ......................................... 6
1.3.2. Tình hình giải bài toán thấm ở trong nƣớc ............................................... 6
1.4. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................ 6
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA SEEP3D - GIẢI BÀI TỐN THẤM KHƠNG
GIAN BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ...................................................... 8

2.1. Giới thiệu mơ hình Seep3D ............................................................................. 8
2.2. Nội dung phƣơng pháp phần tử hữu hạn ......................................................... 9
2.2.1. Hàm số hàm lƣợng chứa nƣớc thể tích ..................................................... 9
2.2.2. Hàm số thấm ........................................................................................... 11
2.2.3. Quy luật dòng chảy ................................................................................. 12
2.2.4. Các phƣơng trình tổng quát .................................................................... 13
2.2.5. Hệ tọa độ ................................................................................................. 15
2.2.6. Các hàm nội suy...................................................................................... 17
2.2.7. Các hàm số đạo hàm của hàm nội suy .................................................... 18
2.3. Giải bài toán thấm 3 chiều theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn .................... 21
2.3.1. Các phƣơng trình phần tử hữu hạn ......................................................... 21
2.3.2. Phép tích phân theo thời gian ................................................................. 22
2.3.3. Tích phân số ............................................................................................ 22
2.3.4. Ma trận dẫn thuỷ lực ............................................................................... 25
2.3.5. Ma trận khối lƣợng ................................................................................. 27


2.3.6. Lƣu lƣợng biên ....................................................................................... 28
2.3.7. Sắp xếp và giải các phƣơng trình tổng quát ........................................... 28
2.3.8. Sơ đồ giải lặp .......................................................................................... 29
2.3.9. Gradien và vận tốc .................................................................................. 30

2.3.10. Lƣu lƣợng dòng thấm ........................................................................... 31
2.3.11. Hàm vật liệu .......................................................................................... 31
2.4. Kết luận chƣơng 2 .......................................................................................... 32
Chƣơng 3. ỨNG DỤNG SEEP3D TÍNH THẤM KHƠNG GIAN QUA ĐẬP ĐẤT
THƢỢNG KON TUM......................................................................................................... 33

3.1. Mơ tả cơng trình [9] ....................................................................................... 33
3.2. Điều kiện địa hình [9] .................................................................................... 33
3.3. Điều kiện địa chất [9] .................................................................................... 34
3.4. Các chỉ tiêu thiết kế cơng trình [9] ................................................................ 34
3.5. Các bƣớc thiết lập mơ hình và khai thác kết quả chạy mơ phỏng ................. 37
3.5.1. Trƣờng hợp tính tốn .............................................................................. 37
3.5.2. Thiết lập mơ hình tính thấm Seep3D của đập Thƣợng Kon Tum .......... 37
3.5.3. Chia lƣới miền tính tốn ......................................................................... 40
3.5.4. Điều kiện biên ......................................................................................... 40
3.5.5. Phân tích mơ hình ................................................................................... 41
3.5.6. Xem kết quả ............................................................................................ 43
3.6. Kết quả tính thấm khơng gian qua đập đất Thƣợng Kon Tum ...................... 44
3.6.1. Đƣờng bão hòa tại các mặt cắt điển hình................................................ 44
3.6.2. So sánh đƣờng bão hịa giữa mơ hình Seep3D và 2D (Seep/W) ............ 50
3.6.3. Kết quả tính tốn ổn định mái hạ lƣu từ kết quả tính thấm Seep3D ...... 51
3.6.4. So sánh ổn định mái hạ lƣu giữa mơ hình Seep3D và 2D (Seep/W) ..... 53
3.7. Kết luận chƣơng 3 ....................................................................................... 54
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 55
1. KẾT LUẬN ................................................................................................................... 55
2. KIẾN NGHỊ ................................................................................................................... 55
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 56
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ...................................................................... 57

TĨM TẮT LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU THẤM KHƠNG GIAN QUA ĐẬP ĐẤT CỦA CƠNG TRÌNH
THƢỢNG KON TUM

Học viên: Nguyễn Dƣ Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy
Mã số: 60.58.02.02

Khóa: K33

Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt: Dịng thấm trong đập đất nói chung rất phức tạp, nhất là các vị trí tiếp
giáp với sƣờn đồi, tràn xả lũ, cống lấy nƣớc thƣờng là thấm khơng gian. Dịng thấm liên
quan mật thiết đến điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn... Trong tính tốn, thiết kế đập
đất hiện nay, việc tính tốn thấm thƣờng sử dụng mơ hình tốn hai chiều đứng (2DV) còn
gọi là thấm phẳng, giải theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM), để tính tốn cho các
mặt cắt đại diện đập đất [1]. Tuy nhiên, việc tính tốn thấm theo mơ hình hai chiều đứng
trong một số trƣờng hợp điều kiện địa hình, địa chất nào đó thì mơ hình này chƣa phản
ánh đúng dịng thấm thực tế, nhất là khi đập cao, có tỷ số giữa chiều dài (L) và chiều cao
(H) từ 1 ÷ 5 [2]. Kết quả tính tốn để thiết kế có khả năng gây ra sự cố cơng trình, hoặc
lãng phí. Vì vậy cần thiết phải nghiên cứu dịng thấm không gian qua đập đất (3D) trong
một số trƣờng hợp đập đất có điều kiện về địa hình, địa chất đặc biệt, để đánh giá ảnh
hƣởng của dòng thấm đến an tồn cơng trình cũng nhƣ hiệu quả kinh tế; từ đó đƣa ra các
kiến nghị trong tính tốn thiết kế đập đất.
Từ khóa: Thấm khơng gian, thấm hai chiều đứng, đập đất, phƣơng pháp phần tử hữu hạn.
STUDY ON DIMENSIONAL SEEPAGE THROUGH EARTH DAM OF ATOP KON
TUM CONSTRUCTION
Abstract - In general, seepage in the earth dam is really complex, especially at
the locations which are contacted to hillsides, spillways, culverts is usually 3D seepage.
Seepage has intimately relation to the conditions of topology, geology and hydrology... In

present design calculation of earth dam, seepage calculation is normally used 2
dimensional vertical model (2DV), which is solved according to finite element method
(FEM) for computation of typical cross sections of earth dam. However, this model has
not reflexed correctly the real seepage, especially in the high dam with the ratio between
the dam length (L) and the dam height (H) from 1 to 5. The result of design calculation
has ability of causing the incidents or increasing the budget. This thesis, the author
studies 3D seepage of Atop Kon Tum earth dam, in special topology and geology, to
evaluate their impacts on the dam safety and economic effective. Since then, proposals of
the study are given in earth dam design.
Key words - Dimensional seepage, two-dimensional vertical seepage, earth dam,
finite element method.


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
2D

thấm hai chiều

3D

thấm ba chiều

MNDBT

mực nƣớc dâng bình thƣờng

MNDGCKT

mực nƣớc dâng gia cƣờng kiểm tra

MNDGCTK

mực nƣớc dâng gia cƣờng thiết kế

MNTL

mực nƣớc thƣợng lƣu

MNHL

mực nƣớc hạ lƣu

MC

mặt cắt

PT

phƣơng trình

PTHH

phần tử hữu hạn

TH

trƣờng hợp


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1

Hệ thống số nút và các tọa độ địa phƣơng của phần tử hình lục giác........ 15

Bảng 2.2

Các hàm nội suy cho các phần tử hình lục giác. ........................................ 17

Bảng 2.3

Vị trí các điểm mẫu và trọng số đối với phần tử lục giác 8 điểm. ............. 24

Bảng 2.4

Vị trí các điểm mẫu và trọng số đối với phần tử lục giác 27 điểm. ........... 24


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 :

Đƣờng bão hịa và khu mao dẫn .................................................................. 4

Hình 1.2 :

Sơ đồ thấm phẳng và thấm khơng gian trong đập đất.................................. 5

Hình 2.1:

Các đối tƣợng đƣợc kết hợp với nhau trong Seep3D................................... 8

Hình 2.2:

Dạng tổng quát của hàm số hàm lƣợng chứa nƣớc thể tích ....................... 10

Hình 2.3:

Hàm số hàm lƣợng chứa nƣớc đối với cát (sand) và đất sét (silt). ............ 11

Hình 2.4:

Quan hệ giữa hàm dẫn thủy lực và áp lực nƣớc lỗ rỗng ............................ 12

Hình 2.5:

Các hệ tọa độ địa phƣơng và tổng thể của phần tử hình lục giác .............. 15

Hình 2.6:

Định nghĩa các tham số ma trận dẫn thủy lực. ........................................... 26

Hình 2.7:

Tính tốn mw .............................................................................................. 27

Hình 3.1:

Vị trí đập đất Thƣợng Kom Tum (Nguồn Google Eath) ........................... 33

Hình 3.2:

Cắt dọc đập đất Thƣợng Kom Tum [9]...................................................... 35

Hình 3.3:

Mặt bằng đập đất Thƣợng Kom Tum [9] ................................................... 36

Hình 3.4:

Giao diện mơ hình tính thấm Seep3D ........................................................ 38

Hình 3.5:

Mặt cắt dọc mơ hình tính thấm Seep3D đập Thƣợng Kon Tum................ 39

Hình 3.6:

Mặt cắt ngang mơ hình tính thấm Seep3D đập Thƣợng Kon Tum............ 39

Hình 3.7:

Mơ hình tính thấm Seep3D đập Thƣợng Kon Tum ................................... 39

Hình 3.8:

Chia lƣới mơ hình tính thấm Seep3D đập Thƣợng Kon Tum ................... 40

Hình 3.9:

Biên mơ hình tính thấm Seep3D đập Thƣợng Kon Tum ........................... 41

Hình 3.10:

Phân tích mơ hình tính thấm Seep3D đập Thƣợng Kon Tum ................... 42

Hình 3.11:

Xem kết quả bằng ResultPlane .................................................................. 43

Hình 3.12:

Xem kết quả bằng ResultLine .................................................................... 43

Hình 3.13:

Xem kết quả bằng ResultPoint................................................................... 44

Hình 3.14:

Cao độ đƣờng bão hịa tại MC-D2 trong mơ hình Seep3D ....................... 45

Hình 3.15:

Biểu diễn đƣờng bão hịa tại MC-D2 trên modun Seep/W ........................ 45

Hình 3.16:

Cao độ đƣờng bão hịa tại MC-D4 trong mơ hình Seep3D ....................... 46

Hình 3.17:

Biểu diễn đƣờng bão hòa tại MC-D4 trên modun Seep/W ........................ 46

Hình 3.18:

Cao độ đƣờng bão hịa tại MC-D6 trong mơ hình Seep3D ....................... 47

Hình 3.19:

Biểu diễn đƣờng bão hịa tại MC-D6 trên modun Seep/W ........................ 47

Hình 3.20:

Cao độ đƣờng bão hịa tại MC-D8 trong mơ hình Seep3D ....................... 48

Hình 3.21:

Biểu diễn đƣờng bão hòa tại MC-D8 trên modun Seep/W ........................ 48


Hình 3.22:

Cao độ đƣờng bão hịa tại MC-D10 trong mơ hình Seep3D ..................... 49

Hình 3.23:

Biểu diễn đƣờng bão hịa tại MC-D10 trên modun Seep/W ...................... 49

Hình 3.24:

Đƣờng bão hịa tại MC-D10 tính trên mơ hình 2D (Seep/W) ................... 50

Hình 3.25:

Đƣờng bão hịa tại MC-D10 từ kết quả tính 2 mơ hình ............................. 50

Hình 3.26:

Kết quả tính ổn định mái hạ lƣu đập tại MC-D2 ....................................... 51

Hình 3.27:

Kết quả tính ổn định mái hạ lƣu đập tại MC-D4 ....................................... 51

Hình 3.28:

Kết quả tính ổn định mái hạ lƣu đập tại MC-D6 ....................................... 52

Hình 3.29:

Kết quả tính ổn định mái hạ lƣu đập tại MC-D8 ....................................... 52

Hình 3.30:

Kết quả tính ổn định mái hạ lƣu đập tại MC-D10 ..................................... 53

Hình 3.31:

Kết quả tính ổn định mái hạ lƣu đập tại MC-D10 (theo mơ hình 2D) ....... 53

Một số hình ảnh đập đất Thƣợng Kom Tum ....................................................................... 58

-1-

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nghiên cứu dịng thấm và biện pháp chống thấm là một trong những nội
dung quan trọng của thiết kế, thi công, vận hành khai thác các cơng trình thủy lợi,
thủy điện [3] và nó trở nên đặc biệt quan trọng đối với đập đất. Đập đất chắn ngang
sông tạo hồ chứa nƣớc là một loại cơng trình phổ biến trên thế giới và ở Việt Nam.
Nƣớc ta hiện có 702 hồ chứa lớn (chiếm 10,6%, là các hồ có dung tích từ 3
triệu m3 hoặc chiều cao thân đập từ 15m trở lên); trong đó có 70 đập xuất hiện tình
trạng thấm nhẹ, 23 đập thấm nặng. Ngồi ra, có 5.946 hồ chứa nhỏ (chiếm 89,4%,
là các hồ có dung tích nhỏ hơn 3 triệu m3 hoặc chiều cao đập nhỏ hơn 15m). Hiện
có 507 đập bị thấm, trong đó có 450 đập thấm nhẹ, 57 đập thấm nặng [4].
Hiện tại và tƣơng lai nƣớc ta đang tiếp tục xây dựng nhiều đập cao, hồ chứa
lớn. Các đập cao bị vỡ thƣờng gây ra thảm họa lớn. Một trong những nguyên nhân
dẫn đến hiện tƣợng đập đất bị vỡ là do dòng thấm trong thân đập gây ra.
Sự phá hoại về thấm dẫn đến sự cố ở đập đất thƣờng bắt nguồn từ hai ngun
nhân chính [3]:
Một là sự hiểu biết khơng chính xác các yếu tố của dịng thấm có ảnh hƣởng
đến ổn định thấm, cũng nhƣ làm thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng theo hƣớng
bất lợi cho an toàn đập.
Hai là do đất đắp đập và biện pháp thi cơng khơng thích hợp đã khơng đảm
bảo đƣợc chất lƣợng khối đất đắp.
Dịng thấm ở đập đất nói chung rất phức tạp, nhất là các vị trí tiếp giáp với
sƣờn đồi, tràn xả lũ, cống lấy nƣớc thƣờng là các dịng thấm khơng gian. Dịng thấm
liên quan mật thiết đến điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn... Trong tính tốn, thiết
kế đập đất hiện nay, việc tính tốn thấm thƣờng sử dụng mơ hình tốn hai chiều
đứng (2DV) cịn gọi là thấm phẳng, giải theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM),

để tính tốn cho các mặt cắt đại diện đập đất [5]. Tuy nhiên, việc tính tốn thấm
theo mơ hình hai chiều đứng trong một số trƣờng hợp điều kiện địa hình, địa chất,
thủy văn... phức tạp (hay gọi là bài tốn có biên phức tạp) thì mơ hình này chƣa
phản ánh đúng dịng thấm thực tế, nhất là khi đập cao, có tỷ số giữa chiều dài (L) và
chiều cao (H) từ 1 ÷ 5 [2]. Kết quả tính tốn để thiết kế có khả năng gây ra sự cố
cơng trình, hoặc lãng phí. Vì vậy cần thiết phải nghiên cứu dịng thấm khơng gian
qua đập đất (3D) trong một số trƣờng hợp có điều kiện biên phức tạp, để đánh giá
ảnh hƣởng của dòng thấm đến an tồn cơng trình cũng nhƣ hiệu quả kinh tế; từ đó
đƣa ra các kiến nghị trong tính tốn thiết kế đập đất.


-2-

2. Mục đích nghiên cứu
Tính tốn thấm ổn định khơng gian qua đập đất Thƣợng Kon Tum bằng mơ
hình Seep3D của GEO-SLOPE international Ltd, nhằm xác định đƣờng bão hòa và
ảnh hƣởng của dòng thấm đối với ổn định mái đập. Từ đó đƣa ra nhận xét và kiến
nghị trong tính tốn thiết kế đập đất.

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Đập chính thủy điện Thƣợng Kon Tum, thuộc hai xã
Đăk Kôi huyện Kon Rẫy và xã Đăk Tăng huyện KôngPlông, tỉnh Kon Tum.
Phạm vi nghiên cứu: Dịng thấm khơng gian, ổn định qua đập đất Thƣợng
Kon Tum trên sông Đak Nghé.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu trong luận văn là nghiên cứu cơ sở lý thuyết các
phƣơng pháp tính thấm, cơ sở lý thuyết của mơ hình Seep3D và ứng dụng nó giải
bài tốn thấm khơng gian cho đập chính thủy điện Thƣợng Kon Tum.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Việc giải bài toán thấm qua đập đất thƣờng sử dụng mơ hình tốn hai chiều
đứng (2DV), chỉ xoay quanh sơ đồ phẳng khơng phản ánh đúng tình hình thủy lực
của dịng thấm trong thực tế. Nhất là các vị trí đặc biệt nhƣ mặt cắt tại sƣờn đồi
chẳng hạn, chúng ta sẽ khó khăn khi chọn biên MNHL. Điều này dẫn đến kết quả
nhận đƣợc là chƣa thỏa mãn, việc lựa chọn mặt cắt chƣa hợp lý, dẫn đến sự cố cơng
trình hoặc lãng phí.
Mơ hình Seep3D của GEO-SLOPE international Ltd, đƣợc xây dựng dựa
trên phƣơng pháp PTHH với khả năng mơ hình hố dịng thấm ổn định theo không
gian ba chiều (3D); nên kết quả tiệm cận với dịng thấm thực tế hơn, từ đó kết quả
tính thấm qua đập đất sẽ đƣợc cải thiện.
Việc xây dựng ngày càng nhiều các cơng trình thủy lợi, thủy điện nhằm đáp
ứng nhu cầu về năng lƣợng và cấp nƣớc là điều tất yếu đã và đang xảy ra, nhất là
trong giai đoạn cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nƣớc. Trong tất cả các cơng
trình đã, đang và sẽ xây dựng đó hầu nhƣ tuyến dâng nƣớc (hay gọi là đập) chủ yếu
làm bằng đất.
Theo thống kê 93 hồ chứa nƣớc lớn trong nƣớc đang bị thấm [4] thì lẽ đƣơng
nhiên là có ngun nhân do sơ đồ tính khơng phù hợp.
Nói tóm lại bài tốn tính thấm theo mơ hình tốn hai chiều đứng (2DV) đã


-3đến lúc cần phải thay thế bằng thấm không gian (3D) nhất là các đập có chiều cao
lớn, chiều dài bé (tỉ chiều cao/chiều dài = H/L= 1/4 ÷ 1/1).
Qua những điều trình bày trên đây cho thấy đề tài luận văn này là có ý nghĩa
khoa học và thực tiễn.

6. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm có: Mở đầu, 3 chƣơng, kết luận và kiến nghị:
Chương 1 - Tổng quan:
Tổng quan về đập đất, ảnh hƣởng của dòng thấm đối với đập đất, thấm phẳng

và thấm không gian qua đập đất. Tình hình nghiên cứu và giải bài tốn thấm trong
và ngồi nƣớc đối với đập đất. Những vấn đề tồn tại mà luận văn cần giải quyết.
Chương 2 - Cơ sở lý thuyết của SEEP3D - Giải bài tốn thấm khơng gian
bằng phương pháp phần tử hữu hạn:
Chƣơng này giới thiệu mơ hình Seep3D, nội dung phƣơng pháp phần tử hữu
hạn và cách giải bài toán thấm 3 chiều (3D).
Chương 3 - Ứng dụng mơ hình Seep3D tính thấm khơng gian qua đập đất
Thượng Kon Tum:
Chƣơng này tác giả giới thiệu đập đất Thƣợng Kom Tum, điều kiện địa hình,
địa chất. Các bƣớc thiết lập mơ hình và kết quả tính thấm theo mơ hình Seep3D, so
sánh với kết quả tính thấm theo mơ hình 2D (Seep/W).


-4Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về đập đất
Đập đất là loại đập sử dụng vật liệu địa phƣơng. Lịch sử xây dựng đập đất có
từ lâu đời. Ở Ai Cập, Trung Quốc, Ấn Độ và một số nƣớc khác ngƣời ta đã xây
dựng đập đất từ 2.500 đến 4.700 trƣớc công nguyên với chiều cao đập từ 12 đến
30m [6]. Khi xã hội càng phát triển, nhu cầu nƣớc không ngừng tăng lên nên sẽ xây
dựng đập ngày càng nhiều. Do nhiều ƣu điểm và lợi thế (nhƣ dùng vật liệu tại chổ,
giá thành hạ, dễ tôn cao, dễ quản lý, yêu cầu nền không cao...) nên đập đất càng
đƣợc sử dụng nhiều so với các loại đập khác nhƣ bê tông, đá xây,...Tuy tỷ lệ số
lƣợng đập đất so với đập bê tơng có khác nhau ở từng nƣớc nhƣng nói chung đập
đất có tỷ lệ cao hơn.
Nhờ sử dụng thành quả ngày càng hoàn thiện của các ngành địa kỹ thuật, lý
thuyết thấm, nghiên cứu ứng suất và biến dạng của cơng trình và các biện pháp thi
cơng cơ giới nên hình thức kết cấu vừa hợp lý, vừa kinh tế. Đến nay đã có những
đập có chiều cao lớn (nhƣ đập Anderson Ranch ở Mỹ cao 139m xây dựng năm
1950) [6]. Ở Việt Nam có đập đất hồ Tả Trạch cao 60 m xây dựng năm 2005 hoặc
nhƣ đập đất của cơng trình thủy điện Thƣợng Kom Tum mà luận văn đang nghiên

cứu cao 76,6 m đang xây dựng.
1.2. Tổng quan về dòng thấm đối với đập đất
1.2.1. Ảnh hưởng của dòng thấm đối với đập đất
Đập đất thƣờng là loại không tràn nƣớc. Để đảm bảo tháo lũ, lấy nƣớc tƣới
hoặc cung cấp nƣớc cho các nhu cầu phải xây dựng những cơng trình riêng nhƣ
đƣờng tràn tháo lũ, cống lấy nƣớc.
Nền đập và thân đập nói chung thấm nƣớc. Khi mực nƣớc thƣợng lƣu dâng
cao trong thân đập sẽ hình thành dịng thấm từ thƣợng lƣu về hạ lƣu. Trong thân
đập, có mặt đƣờng bão hịa (1). Phía trên đƣờng bão hịa có khu nƣớc mao dẫn (2).
Dƣới đƣờng bão hòa đất chịu đẩy nổi của nƣớc và chịu lực thủy động do thấm.

MNTL
2
1

MNHL

Hình 1.1 : Đường bão hòa và khu mao dẫn
Lực thấm thủy động do dòng thấm phát sinh trong khối đất khi có dịng thấm
trong đất gặp lực cản của đất. Phƣơng của lực thủy động trùng với phƣơng của dòng


-5thấm, điểm đặt tại trọng tâm khối đất, độ lớn tỷ lệ thuận với gradien thấm. Dƣới tác
dụng của lực thấm thủy động, mái đất càng dễ mất ổn định, dễ gây mất an tồn cho
cơng trình [6].
1.2.2. Thấm phẳng và thấm không gian qua đập đất
Đối với các đập xây dựng ở sơng đồng bằng thƣờng có chiều cao nhỏ, chiều
dài lớn, do đó chuyển động thấm trong phạm vi phần lớn chiều dài đập là thấm gần
nhƣ phẳng, nghĩa là dịng thấm gần vng góc với trục dọc của đập.
Trong các đập cao xây dựng ở vùng núi, hoặc trong các đập xây dựng trên

các sông suối hẹp thì chuyển động của dịng thấm có tính khơng gian rõ rệt.
Bản thân lịng sơng trong đa số trƣờng hợp làm chức năng thốt nƣớc thấm
khơng gian. Riêng đoạn mặt cắt qua khu vực lịng sơng ngập nƣớc ở hạ lƣu, các
dịng thấm có phƣơng vng góc với trục đập (mặt cắt A - A trên hình 1-2) và
chuyển động thấm ở đây đƣợc xem là phẳng. Tại hai vai đập, ở phạm vi bãi bồi và
sƣờn dốc của hai bên bờ, các đƣờng dịng thấm có dạng cong và kéo dài trên bình
diện (các mặt cắt B - B và C - C , hình 1-2); tại các vị trí đó là thấm khơng gian [7].

Hình 1.2 : Sơ đồ thấm phẳng và thấm không gian trong đập đất.
a) Bình đồ đập và các đƣờng dịng thấm đặc trƣng trên bình diện;
b) Các mặt cắt đi qua các đƣờng dòng đặc trƣng.


-61.3. Tình hình giải bài tốn thấm
1.3.1. Tình hình giải bài tốn thấm ở nước ngồi [3]
+ Tại Hoa Kỳ: Quân đội Hoa Kỳ (1986) đã có những nghiên cứu thấm và
quản lý đập. Hai phƣơng pháp hay dùng để giải bài tốn thấm khơng gian là phƣơng
pháp thí nghiệm tƣơng tự điện (EGDA) và thực nghiệm.
+ Tại Canada: Năm 1977 mơ hình thấm khơng áp, khơng ổn định trong mơi
trƣờng xốp bão hịa – khơng bão hịa đã đƣợc L.Lam, D.G. Fredlund, S.L.Babbour
xây dựng. Đó là cơ sở lý thuyết của mơ hình Seep/W, mơ hình SoilVision của hãng
Geo-Slope International. Năm 2001 hãng này cho ra đời mơ hình thƣơng mại
GeoStudio. Năm 2004 hãng cho ra đời mơ hình Seep3D để tính thấm khơng gian.
+ Tại Cộng Hịa Liên Bang Nga: Nghiên cứu thấm không gian phát triển
theo nhiều hƣớng, trong đó trƣờng phái lập mơ hình vật lý phát triển mạnh mẽ vào
những năm 20 đến 70 của thế kỷ XX. Điển hình là H.I. Drurinhin, ơng đã dùng
phƣơng pháp này để nghiên cứu khá nhiều về môi trƣờng thấm phẳng, không gian,
môi trƣờng dị hƣớng.
+ Tại Trung Quốc: Các nhà khoa học Trung Quốc đã đi sâu nghiên cứu ảnh
hƣởng của dòng thấm nhƣ DuLing, Jiang Chunbo, Xing Xluying năm 2001 nghiên

cứu “Mơ hình hóa dịng thấm khơng gian 3D khi có ảnh hƣởng của miền khơng
thấm. Peying – Liuming năm 2001 nghiên cứu về vai trò của phƣơng pháp số đối
với dòng thấm 3 chiều trong các dự án thủy điện lớn trên sông Trƣờng Giang.
1.3.2. Tình hình giải bài tốn thấm ở trong nước
Ở Việt Nam, Nguyễn Xuân Trƣờng đã sử dụng phƣơng pháp thuỷ lực để tính
tốn thấm qua đập đất có các kiểu thiết bị chống thấm tƣờng nghiêng, tƣờng răng,
bản cọc, màng xi măng; Nguyễn Hữu An đã sử dụng phƣơng pháp thuỷ lực để xác
định phạm vi bảo vệ đê sông trên cơ sở giải bài toán thấm và đánh giá ổn định nền
đê; Huỳnh Bá Kỹ Thuật đã dùng phƣơng pháp thuỷ lực để tính tốn thấm qua cơng
trình thuỷ lợi có xét sự trao đổi nƣớc thấm giữa thân và nền đập. Giải bài toán thấm
qua đập đất khi dùng hai dãy hào bentonite làm thiết bị chống thấm… [8].
Trong q trình thiết kế thi cơng, quản lý và vận hành các cơng trình đầu mối
thủy lợi Việt Nam, việc sử dụng mơ hình 2D để tính đã đƣợc sử dụng nhiều, nhƣng
mơ hình tính thấm khơng gian (3D) còn nhiều hạn chế.
1.4. Kết luận chƣơng 1
Đối với đập đất vấn đề tính thấm đƣợc đề cập tới nhƣ là một nội dung xuyên
suốt trong quá trình thiết kế, thi cơng và vận hành của cơng trình, nhằm xác định
các yếu tố thủy lực của dòng thấm. Trong nhiều trƣờng hợp do đánh giá không


-7chuẩn xác các yếu tố thủy lực nói trên, có thể là ngun nhân gây ra sự cố cơng
trình, hoặc lãng phí.
Cho đến nay vấn đề tính thấm qua đập đất đã đƣợc giải quyết bằng các
phƣơng pháp cổ điển nhƣ: phƣơng pháp phân đoạn, phƣơng pháp biến đổi mái
dốc..., và các phƣơng pháp hiện đại nhƣ: sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn, … theo
các mơ hình thấm một chiều, hai chiều, hoặc ba chiều. Trong đó phƣơng pháp
PTHH có ƣu điểm trội hơn các phƣơng pháp khác là do nó có thể cho lời giải bài
tốn thấm khá chính xác so với các phƣơng pháp khác và tự động hóa đƣợc tính
tốn đối với miền thấm có địa chất phức tạp, hình dạng biên và điều kiện biên tùy ý.
Dòng thấm hai bên vai đập (nơi tiếp giáp với sƣờn đồi) là khá phức tạp, nó

thay đổi theo cả không gian và thời gian. Các phƣơng pháp cổ điển tính thấm trong
trƣờng hợp này đều theo mơ hình thấm ổn định, hai chiều đứng (2DV) trong chừng
mực nhất định đã làm sai lệch hình ảnh dịng thấm. Do đó kết quả tính tốn khơng
sát với thực tế, dẫn đến việc thiết kế mặt cắt đập chƣa hợp lý, đơi khi gây lãng phí
hoặc mất an tồn. Do vậy việc áp dụng phƣơng pháp PTHH với mơ hình ba chiều sẽ
cho kết quả gần đúng với thực tế nhất.
Luận văn sẽ ứng dụng mơ hình Seep3D của GEO-SLOPE international, Ltd
đƣợc xây dựng dựa trên cơ sở của phƣơng pháp PTHH với khả năng mơ hình hố
dịng thấm ổn định theo khơng gian (3D), để tính thấm khơng gian qua đập đất
Thƣợng Kon Tum nhằm xác định đƣờng bão hịa của dịng thấm và ảnh hƣởng của
nó đối với ổn định mái đập.


-8Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA SEEP3D - GIẢI BÀI TỐN

THẤM KHƠNG GIAN BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
2.1. Giới thiệu mơ hình Seep3D
Seep3D là một mơ hình tính thấm của GEO-SLOPE international Ltd, phiên
bản đầu tiên ra đời năm 2004 để giải bài tốn thấm khơng gian (3D). Seep3D thể
hiện mơ hình khác hồn tồn so với mơ hình số của GeoStudio trƣớc đó. Ngƣời
dùng khơng chỉ tạo mơ hình khơng gian tƣơng thích với kết quả thực tế mà cịn có
thể tạo ra nhiều lớp bài tốn mà trƣớc đây khơng thể phân tích đƣợc.
Seep3D dựa trên khái niệm "các đối tƣợng" đƣợc kết hợp với nhau để tạo
thành mơ hình. Cách dễ nhất để tƣởng tƣợng hệ thống mới là nghĩ đến LEGO®, trị
chơi nổi tiếng của trẻ em. LEGO® gồm nhiều miếng nhỏ riêng biệt, nhƣng khi kết
nối lại với nhau sẽ xây dựng thành cấu trúc có ý nghĩa. Các miếng tƣơng đối đơn
giản hoặc các hạng mục đƣợc cụ thể hóa nhƣ một hàm đơn.

Hình 2.1:Các đối tượng được kết hợp với nhau trong Seep3D
Vật liệu và các điều kiện biên đƣợc tạo thành riêng biệt trong miền. Điều này

cho phép ngƣời dùng xóa các khối trong miền mà khơng mất đi bất cứ thơng tin gì
về điều kiện biên hay vật liệu còn lại. Tạo một điều kiện biên và sau đó áp nó vào
nhiều vị trí trong miền cho phép ngƣời sử dụng chỉ vào thông tin một lần, giảm bớt
các sai sót có thể xảy ra. Ngƣời dùng cũng có thể thay đổi tính chất vật liệu tồn bộ
bằng cách chỉnh sửa vật liệu; các giá trị mới sẽ đƣợc sử dụng cho các khối mà sử
dụng vật liệu đó.
Khi ngƣời sử dụng thiết lập mơ hình, áp đặt điều kiện biên và tính chất vật
liệu thì bài tốn sẵn sàng phân tích, sử dụng các thuật tốn phân tích đã đƣợc xây


-9dựng trong Seep3D. Seep3D chứa các lời giải lặp mà có thể là tuyến tính, phi tuyến,
ổn định, khơng ổn định và các phân tích thích hợp.
Ngƣời sử dụng sẽ khai thác kết quả mình cần từ số lƣợng lớn dữ liệu đƣợc
Seep3D phân tích. Chẳng hạn, có thể xuất dữ liệu sử dụng kết quả tại các mặt cắt
ngang qua miền cho thấy các đƣờng mức trên bề mặt (surface contours), vectơ dịng
chảy và đƣờng dịng. Cũng có thể contour bất cứ tham số nào trên vỏ bên ngoài của
miền, tạo mặt phẳng x-y và xuất dữ liệu sang Excel để phân tích sau này.
2.2. Nội dung phƣơng pháp phần tử hữu hạn
Mục này trình bày các phƣơng pháp, các phƣơng trình, các thủ tục, và các kỹ
thuật đƣợc sử dụng trong việc lập cơng thức tính tốn và ứng dụng phƣơng pháp
phần tử hữu hạn trong mơ hình Seep3D.
2.2.1. Hàm số hàm lượng chứa nước thể tích
Khi nƣớc chảy vào đất thì một lƣợng nƣớc nào đó sẽ đƣợc giữ lại trong kết
cấu của đất. Lƣợng nƣớc đƣợc giữ lại này là hàm số của áp lực nƣớc lỗ rỗng và là
đặc trƣng của kết cấu đất. Dạng phƣơng trình:
( 2.1 )
Trong đó:
 : Hàm lƣợng chứa nƣớc thể tích;
Vw : Thể tích nƣớc;
V : Tổng thể tích.

Hàm lƣợng chứa nƣớc thể tích  phụ thuộc vào áp lực nƣớc lỗ rỗng. Hình
2.2 minh họa mối quan hệ này, đây cũng là hàm số đặc trƣng của lƣợng nƣớc đƣợc
giữ lại trong đất.


-10-

Hình 2.2: Dạng tổng quát của hàm số hàm lượng chứa nước thể tích
Khi độ bão hồ 100% thì hàm lƣợng nƣớc cân bằng với độ rỗng của đất là tỷ
số giữa thể tích lỗ rỗng và tổng thể tích.
Xem xét đất ở trạng thái bão hịa hồn tồn mà trong đó áp lực nƣớc lỗ rỗng
gần bằng 0, và tổng tải trọng bên ngồi trên đất đó vẫn khơng đổi. Khi áp lực nƣớc
lỗ rỗng dƣơng thì ứng suất hiệu quả sẽ giảm. Điều này làm cho đất bị trƣơng nở lên
và làm tăng hàm lƣợng nƣớc của đất. Khi áp lực nƣớc lỗ rỗng âm thì đất bắt đầu rút
nƣớc và hàm lƣợng nƣớc giảm.Về cơ bản khi đất bị khơ hồn tồn thì hàm lƣợng
nƣớc khơng cịn thay đổi cùng với sự giảm thêm về áp lực nƣớc lỗ rỗng.
Độ dốc của đƣờng cong tiêu biểu mw là tỉ lệ thay đổi lƣợng nƣớc đƣợc đất
giữ lại tƣơng ứng với sự thay đổi áp lực nƣớc lỗ rỗng. Khi áp lực nƣớc lỗ rỗng
dƣơng, thì mw tƣơng đƣơng mv (mv: hệ số nén thể tích cho cố kết thấm một chiều).
Tham số mw là điều kiện cần trong việc phân tích thấm khơng ổn định.
Các hàm số lƣợng nƣớc đƣợc giữ lại trong đất hạt mịn (đất sét) thì tƣơng đối
phẳng, trong khi đó đối với loại đất hạt to (cát xây) thì hàm này có thể dốc đứng.
Hình 2.3 mơ tả đƣờng cong hàm lƣợng thể tích nƣớc thật đối với cát mịn, phù sa, và
đất sét. Sự biến thiên ở các đƣờng cong này biểu thị ảnh hƣởng của tính chất đất lên
các hàm số đặc trƣng.


-11-

Hình 2.3:Hàm số hàm lượng chứa nước đối với cát (sand) và đất sét (silt).

2.2.2. Hàm số thấm
Nƣớc ở dạng chất lỏng có thể đƣợc xem xét khi chảy qua 1 chuỗi các ống
dẫn nƣớc đƣợc nối liên tục với nhau. Việc giảm hàm lƣợng nƣớc có ảnh hƣởng đến
việc giảm kích cỡ và số lƣợng của ống dẫn nƣớc, vì vậy làm giảm khả năng dẫn
nƣớc qua đất. Về cơ bản, khi đất khơ thì khả năng dẫn nƣớc dọc các ống dẫn liên
tục có nƣớc đầy sẽ biến mất. Khi đất bão hịa thì tất cả các ống dẫn sẵn có đều đƣợc
sử dụng, và khả năng dẫn nƣớc ở mức tối đa.
Khả năng dẫn nƣớc của đất có thể đƣợc xem ở các số hạng dẫn thuỷ lực
(hoặc hệ số thấm). Trong trƣờng hợp này, độ dẫn thuỷ lực phụ thuộc vào hàm lƣợng
nƣớc. Vì hàm lƣợng nƣớc là một hàm số của áp lực nƣớc lỗ rỗng, và độ dẫn thuỷ
lực là hàm số của hàm lƣợng nƣớc, nên độ dẫn thuỷ lực cũng là hàm số của áp lực
nƣớc lỗ rỗng. Hình 2.4 trình bày đƣờng cong biểu thị mối quan hệ tiêu biểu giữa độ
dẫn thuỷ lực và áp lực nƣớc lỗ rỗng.


-12-

Hình 2.4: Quan hệ giữa hàm dẫn thủy lực và áp lực nước lỗ rỗng
Đã có các cơng trình nghiên cứu để xác định hàm dẫn thuỷ lực từ hàm số
hàm lƣợng nƣớc đƣợc giữ lại trong đất. Việc xác định độ dẫn thuỷ lực đối với các
vùng áp lực nƣớc lỗ rỗng âm tạo điều kiện dễ dàng để phân tích các bài tốn liên
quan đến dịng chảy khơng bão hòa cũng nhƣ dòng chảy bão hòa.
2.2.3. Quy luật dịng chảy
Mơ hình Seep3D đƣợc xây dựng dựa trên cơ sở dịng chảy qua cả đất bão
hồ lẫn chƣa bão hoà tuân theo định luật Darcy là:
q = ki

( 2.2 )

Trong đó:

q: Lƣu lƣợng đơn vị;
k: Hệ số thấm;
i: Gradient thủy lực.
Định luật Darcy ban đầu chỉ dành cho đất bão hồ, nhƣng sau này các cơng
trình nghiên cứu cho thấy định luật này cũng có thể đƣợc áp dụng đối với dịng chảy
qua đất khơng bão hồ. Sự khác nhau duy nhất là trong điều kiện dịng chảy khơng
bão hồ thì độ dẫn thủy lực khơng cịn là một hằng số, mà nó biến đổi theo sự thay
đổi của hàm lƣợng chứa nƣớc và gián tiếp thay đổi theo áp lực nƣớc rỗng.
Định luật của Darcy thƣờng đƣợc viết nhƣ sau:
v = ki

( 2.3 )


-13Trong đó: v là vận tốc Darcian ; vận tốc trung bình thực mà nƣớc chảy qua
đất là vận tốc Darcian. Seep3D chỉ tính tốn và thể hiện vận tốc Darcian.
2.2.4. Các phương trình tổng quát
Phƣơng trình vi phân tổng qt đƣợc dùng trong phân tích thấm của mơ hình
Seep3D là:

(

)

(

)

(

)

( 2.4 )

Trong đó:
H : Tổng cột nƣớc (tổng áp suất);
kx, ky, kz : Hệ số thấm theo hƣớng x, y, z;
Q : Tổng lƣu lƣợng nút;
 : Hàm lƣợng chứa nƣớc thể tích;
t: Thời gian.
Phƣơng trình (2.4) chỉ ra sự sai khác giữa lƣu lƣợng (thơng lƣợng) vào và
dịng chảy ra của một thể tích phần tử tại một điểm theo thời gian bằng với sự thay
đổi hàm lƣợng chứa nƣớc thể tích. Cụ thể phƣơng trình này chỉ ra tổng các tỉ lệ thay
đổi của dòng chảy theo hƣớng x, y và z cộng với lƣu lƣợng vào từ bên ngồi thì
bằng tỉ lệ thay đổi hàm lƣợng chứa nƣớc thể tích với thời gian tƣơng ứng.
Trong điều kiện ổn định, lƣu lƣợng vào và ra một thể tích phần tử thì bằng
nhau ở mọi thời điểm. Vì vậy vế phải của phƣơng trình (2.4) bằng khơng và phƣơng
trình (2.4) đƣợc rút gọn nhƣ sau:

(

)

(

)

(

)

( 2.5 )

Những thay đổi về hàm lƣợng chứa nƣớc thể tích phụ thuộc vào sự thay đổi
trạng thái ứng suất và tính chất của đất.
Trạng thái ứng suất đối với các điều kiện bão hịa và khơng bão hịa có thể
đƣợc mơ tả bởi hai biến số trạng thái. Các biến số trạng thái ứng suất này là (-ua)
và (ua-uw) là tổng ứng suất, u a là áp lực khơng khí lỗ rỗng, và u w là áp lực nƣớc lỗ
rỗng.
Mơ hình Seep3D lập công thức đối với điều kiện ứng suất tổng hằng số;
nghĩa là khơng có tải trọng của khối đất. Giả định thứ hai là áp lực khơng khí lỗ
rỗng vẫn hằng số ở áp suất khí quyển trong suốt q trình khơng ổn định. Điều này
có nghĩa là (-ua) là hằng số và không ảnh hƣởng đến sự thay đổi về hàm lƣợng


-14chứa nƣớc thể tích. Vì vậy những thay đổi về hàm lƣợng chứa nƣớc thể tích chỉ phụ
thuộc vào sự thay đổi biến số trạng thái ứng suất (ua-uw), và với ua còn lại là hằng
số, sự thay đổi về hàm lƣợng chứa nƣớc thể tích là một hàm số duy nhất của những
thay đổi áp lực nƣớc lỗ rỗng.
Sự thay đổi về hàm lƣợng chứa nƣớc thể tích có thể liên quan với sự thay đổi
về áp lực nƣớc lỗ rỗng theo phƣơng trình sau:
( 2.6 )
Trong đó: mw là độ dốc của đƣờng cong dự trữ.
Tổng cột nƣớc đƣợc xác định là:
( 2.7 )
Trong đó
uw: Áp lực nƣớc lỗ rỗng;
w : Trọng lƣợng đơn vị của nƣớc;
y: Cao độ.
Phƣơng trình ( 2.7 ) có thể đƣợc viết nhƣ sau:

(

)

( 2.8 )

Khi thay phƣơng trình (2.8) vào phƣơng trình (2.6) ta có phƣơng trình sau:

(

)

( 2.9 )

Thay phƣơng trình (2.9) vào phƣơng trình (2.4) ta có :

(

)

(

)
(

(
)

)

( 2.10 )

y là hằng số nên đạo hàm của y theo t sẽ bằng khơng, nên ta có phƣơng trình
vi phân tổng quát nhƣ sau:


-15-

(

)

(

)

(

)
( 2.11 )

2.2.5. Hệ tọa độ
Mơ hình Seep3D chia mỗi miền vật liệu thành các phần tử hình lục giác. Hệ
tọa độ đƣợc dùng trong việc lập công thức các ma trận phần tử đƣợc trình bày ở
hình 2.5. Hình 2.5 hệ tọa độ địa phƣơng (ký hiệu là r,s và t) và hệ thống số các nút
phần tử chung 20 nút cho phần tử hình lục giác. Các tọa độ địa phƣơng đối với mỗi
nút đƣợc đƣa ra ở bảng 2.1.

Hình 2.5:Các hệ tọa độ địa phương và tổng thể của phần tử hình lục giác
Bảng 2.1 Hệ thống số nút và các tọa độ địa phƣơng của phần tử hình lục giác

Nút

r

s

t

1

-1

-1

1

2

1

-1

1

3

1

1

1

4

-1

1

1