ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN KIỂM TRA ỔN ĐỊNH ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƯỚC TRONG, TỈNH QUẢNG NGÃI TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

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

NGUYỄN HẢI LONG

ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TỐN KIỂM TRA ỔN ĐỊNH
ĐẬP ĐẤT HỒ CHỨA NƢỚC TRONG, TỈNH
QUẢNG NGÃI.

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy
Mã số: 85.80.02.02

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG
CƠNG TRÌNH THỦY

Đà nẵng - Năm 2019


Cơng trình được hồn thành tại
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ VĂN THẢO

Phản biện 1: GS.TS. Nguyễn Thế Hùng

Phản biện 2: TS. Phạm Quang Đông

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn
tốt nghiệpThạc sĩ kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy họp tại trường
Đại học Bách Khoa vào ngày 01 tháng 9 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách
khoa
 Thư viện Khoa Xây Dựng Thủy Lợi Thủy Điện, Trường Đại học
Bách học Bách khoa - ĐHĐN


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm qua Nhà nước đã đầu tư hàng chục
nghìn tỷ đồng để xây dựng các cơng trình thủy lợi lớn và nhỏ
phục vụ tưới tiêu cho hàng triệu ha đất canh tác, ngăn mặn, cải tạo
đất, giảm nhẹ thiên tai, cấp nước cho các ngành kinh tế quốc dân.
Đối với các cơng trình thủy lợi, đập chiếm một vị trí quan
trọng trong cụm cơng trình đầu mối của các hồ chứa hoặc các cơng
trình dâng nước. Ở nước ta, đập đất được xây dựng rất phổ biến do
đặc điểm an toàn, kinh tế và đảm bảo vệ sinh môi trường xây dựng.
Đập đất có thể xây dựng trên nhiều loại nền, dễ thích ứng với độ lún
của nền, ít bị nứt nẻ gây phá hoại đập. Ngồi ra cịn tận dụng được
vật liệu địa phương, giảm giá thành, thi công đơn giản…Do các đặc
tính ưu việt đó nên đập đất ngày càng được phổ biến rộng rãi ở nước
ta cũng như trên thế giới.
Hồ chứa nước Nước Trong được xây dựng trên sông Nước
Trong thuộc phụ lưu tả ngạn sông Trà Khúc. Cơng trình nằm trên địa
bàn xã Sơn Bao huyện Sơn Hà, cách thị xã Quảng Ngãi khoảng 50
Km về phía Tây, cách thị trấn Sơn Hà khoảng 10 Km về phía Tây Tây Bắc. Vùng lịng hồ chứa gồm 2 xã huyện Sơn Hà (Di Lăng và
Sơn Bao) và 4 xã của huyện Tây Trà mới thành lập (Trà Phong, Trà

Xinh, Trà Trung và Trà Thọ).
Hồ chứa nước Nước
Trong

Hình 1. 1: Hồ chứa nước Nước Trong - Tỉnh Quảng Ngãi (Ảnh chụp
từ vệ tinh)
Tuy nhiên đặc thù ở khu vực miền trung nói chung và tỉnh
Quảng Ngãi nói riêng gặp rất nhiều thiên tai hàng năm, bão lũ


2

thường xuyên xảy ra mà Hồ chứa nước Trong lại là hồ có dung tích
289,5 triệu m3 (Hồ chứa có dung tích lớn nhất tỉnh Quảng Ngãi). Vì
vậy việc ứng dụng mơ hình tốn kiểm tra ổn định đập đất Hồ chứa
nước nước Nước Trong là việc làm rất cần thiết nhằm đảm bảo cho
cơng trình tuyệt đối an tồn khơng có sự cố nào đáng tiết cho hạ du
là việc được các cơ quan quản lý rất quan tâm và cần thiết.
Dịng thấm ở đập đất nói chung rất phức tạp, nhất là các vị
trí tiếp giáp với sườn đồi thường 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
thường sử dụng mơ hình tốn hai chiều đứng (2D) còn gọi là thấm
phẳng, giải theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), để tính tốn
cho các mặt cắt đại diện đập đất . Tuy nhiên, việc tính tốn thấm
theo mơ hình hai chiều đứng trong một số trường hợp điều kiện địa
hình, địa chất nào đó thì mơ hình này chưa 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 [4]. 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 trường
hợp đập đất có điều kiện về địa hình, địa chất đặc biệt, để đánh giá
ảnh hưởng của dịng thấm đến an tồn cơng trình cũng như hiệu quả
kinh tế; từ đó để các đơn vị chức năng đề xuất phương án nhằm đảm
bảo ổn định cho đập đất.
2. Mục đích nghiên cứu
Tính tốn thấm ổn định không gian qua đập đất Hồ chứa
nước NướcTrong bằng mơhình Seep3D của GEO-SLOPE
international Ltd, nhằm xác định đường bão hòa và ảnh hưởng của
dòng thấm đối với ổn định mái đập đất. Từ đó đưa ra nhận xét và
kiến nghị.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Đập đất Hồ chứa nước Nước Trong
nằm trên địa bàn xã Sơn Bao huyện Sơn Hà, tỉnh Quảng Ngãi.
Phạm vi nghiên cứu: Dịng thấm khơng gian, ổn định qua đập đất
Hồ chứa nước Nước Trong.


3

4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Khảo sát thực tế hiện trường, thu thập phân tích các tài liệu
đã có kết hợp với nghiên cứu các phương pháp kỹ thuật phần mềm,
đề xuất giải pháp kỹ thuật phù hợp (nếu có).
- Ứng dụng phần mềm mơ hình Seep3D tính thấm khơng
gian và ổn định cho cho mặt cắt đại diện đập đất hồ chứa nước Nước
Trong.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Việc giải bài toán thấm thường sử dụng mơ hình tốn hai
chiều đứng (2DV), chỉ xoay quanh sơ đồ phẳng khơng phản ánh

đúng tình hình thủy lực của dòng thấm trong thực tế. Nhất là các vị
trí đặc biệt như mặt cắt tại vai đồi chẳng hạn, chúng ta sẽ khó
khăn khi chọn biên MNHL. Điều này dẫn đến việc lựa chọn mặt
cắt chưa hợp lý, dẫn đến sự cố cơng trình hoặc lãng phí.
Mơ hình Seep3D của GEO-SLOPE international Ltd, được
xây dựng dựa trên phương pháp PTHH với khả năng mơ hình hố
dịng thấm ổn định theo không gian ba chiều; nên kết quả tiệm cận
với dịng thấm thực tế hơn, qua đó hàng loạt các vấn đề về thiết kế
đập đất sẽ được cải thiện.
Việc xây dựng ngày càng nhiều các cơng trình thủy lợi,
thủy điện nhằm đáp ứng nhu cầu về năng lượng và cấp nước là điều
tất yếu đã và đang xảy ra, nhất là trong giai đoạn cơng nghiệp hóa
và hiện đại hóa đất nước. Trong tất cả các cơng trình đã, đang và
sẽ xây dựng đó hầu như tuyến dâng nước (hay gọi là đập) chủ yếu
làm bằng đất.
Theo thống kê 93 hồ chứa nước lớn trong nước đang bị thấm
thì lẽ đương 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 đến 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
có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rõ rệt.


4

Chƣơng I. TỔNG QUAN VỀ ĐẬP VẬT LIỆU ĐỊA PHƢƠNG
VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO ỔN ĐỊNH HỒ CHỨA
1.1 Tổng quan về đập vật liệu địa phƣơng (VLĐP)

1.1.1 Tổng quan đập đất trên thế giới.
1.1.2 Tổng quan đập đất, hồ chứa ở Việt Nam.
Việt Nam là một trong những nước có nhiều hồ chứa. Theo
điều tra của dự án UNDP VIE 97 2002 thì Việt Nam có khoảng
10.000 hồ 180 cái đứng vào hàng thứ 24 trong các nước có số liệu
thống kê của ICOLD. Theo con số thống kê của Bộ Nông nghiệp
PTNT năm 2002 cả nước ta đã có 1967 hồ (dung tích mỗi hồ trên
2.105 m3).
Trong đó có 10 hồ thủy điện có tổng dung tích 19 tỷ m3 cịn
lại là 1957 hồ thủy nơng với dung tích 5,842 tỷ m3. Nếu chỉ tính các
hồ có dung tích từ 1 triệu m3 nước trở lên thì hiện nay có 587 hồ có
nhiệm vụ tưới là chính.Các hồ chứa phân bố khơng đều trên phạm vi
tồn quốc. Trong số 61 tỉnh thành nước ta có 41 tỉnh thành có hồ
chứa nước. Các tỉnh miền Bắc và miền Trung có diện tích tự nhiên
chiếm 64,3 , dân số chiếm 60,3% của toàn quốc nhưng số hồ chiếm
tới 88,2 số hồ của toàn quốc.
Các hồ được xây dựng trong từng thời k phát triển của đất
nước. Tính ở khu vực miền Bắc và miền Trung Việt Nam số hồ xây
dựng từ năm 1960 trở về trước chiếm khoảng 6 , từ 1960 đến 1975
chiếm 44% và từ 1975 đến nay chiếm 50%.
Hầu hết các đập đã được xây dựng ở nước ta là đập đất. Đất
đắp đập được lấy tại chỗ gồm các loại đất: đất pha tàn tích sườn đồi,
đất Bazan, đất ven biển miền Trung. Phần lớn các đập đất được xây
dựng theo hình thức đập đất đồng chất, mái thượng lưu được bảo vệ
bằng đá xếp, mái hạ lưu trồng cỏ trong các ô đổ sỏi. (website Hội
đập lớn và phát triển nguồn nước việt nam)


5

1.1.3 Hiện trạng đập đất ở Việt Nam.
Theo chiều cao đập có khoảng 20 số đập là cấp ba, hơn
70 là đập cấp bốn và cấp năm, còn lại khoảng 10 là đập từ cấp
hai trở lên.
Các đập được xây dựng thời k trước 1960 khoảng 6 , từ
1960 đến 1975 khoảng 44 , từ 1975 đến nay khoảng 50 .
Phân tích 100 hồ đã có dự án sửa chữa cải tạo hoặc nâng cấp
thì 71 hồ có hiện tượng hư hỏng ở đập.
Như vậy đập là loại cơng trình đầu mối có hư hỏng chiếm tỷ
lệ cao nhất. Các hư hỏng xảy ra ở đập thường là:
Do thấm gây ra như thấm mạnh, sủi nước ở nền đập Đồng
Mô-Hà Tây, Suối Giai-Sông Bé, Vân Trục-Vĩnh Phúc… Thấm
mạnh, sủi nước ở vai đập Khe Chè-Quảng Ninh, Ba Khoang-Lai
Châu, Sông Mây-Đồng Nai… Thấm mạnh ở nơi tiếp giáp với tràn
hoặc cống như đập Vĩnh Trinh- Đà Nẵng, Dầu Tiếng-Tây Ninh…
Loại hư hỏng biểu hiện do thấm chiếm khoảng 44,9 .
Hư hỏng thiết bị bảo vệ mái thượng lưu. Khoảng 85 các
đập đã xây dựng được bảo vệ mái bằng đá lát hoặc đá xây cịn lại là
tấm bê tơng lắp ghép hoặc bê tơng đổ tại chỗ. Số đập có hư hỏng kết
cấu bảo vệ mái chiếm 35,4%.
Các hư hỏng khác như sạt mái, lún không đều, nứt, tổ mối,…
chiếm khoảng 19,7 .
Có thể nói đập là hạng mục cơng trình quan trọng nhất ở
cơng trình hồ chứa, những hư hỏng nặng ở đập dễ dẫn tới nguy cơ sự
cố vỡ đập.
1.1.4 Tình hình xây dựng đập ở Việt Nam
1.2 Ảnh hƣởng của dòng thấm đối với đập đất
1.2.1 Thấm phẳng và thấm không gian qua đập đất

6

Đối với các đập xây dựng ở sông đồng bằng thường có
chiều cao nhỏ, chiều dài lớn, do đó chuyển động thấm trong phạm
vi phần lớn chiều dài đập là thấm gần như 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 sơng suối hẹp thì chuyển động của dịng thấm có
tính khơng gian rõ rệt.

Hình 1.3: Sơ đồ thấm khơng gian trong đập đất.
a)Bình đồ đập và các đường dịng thấm đặc trong trên bình diện
b) Các mặt cắt đi qua các đường dịng đặc trưng
Bản thân lịng sơng trong đa số trường hợp làm chức năng
thốt nước thấm khơng gian. Riêng đoạn mặt cắt qua khu vực lịng
sơng ngập nước ở hạ lưu, các dịng thấm có phương vng góc với
trục đập (mặt cắt A-A trên hình 1.7) và chuyển động thấm ở đây
được xem là phẳng. Tại hai vai đập, ở phạm vi bãi bồi và sườn dốc
của hai bên bờ, các đường dịng thấm có dạng cong và kéo dài trên
bình diện (các mặt cắt B-B và C-C (như hình 1.7)[6]
.1.3 Các loại sự cố đập VLĐP
Việc xây dựng hồ, đập mang lại nhiều lợi ích cuộc sống cho
con người. Tuy nhiên, cùng với thời gian khai thác, các cơng trình bị
xuống cấp và hư hỏng gây ra nhiều thiệt hại nghiêm trọng.
Trong lịch sử xây dựng đập đất trên thế giới, cũng như Việt
Nam đến nay đã chứng kiến nhiều sự cố do thấm gây thiệt hại lớn về
người và của. Những sự cố thường gặp và nguyên nhân gây ra sự cố


7

ở đập đất như sau:
1.3.1 Nguyên nhân khách quan
1.3.2 Nguyên nhân khách quan
1.4 Một số sự cố vỡ đập điển hình ở Việt Nam
1.4.1 Vỡ đập Suối Hành ở Khánh Hòa
1.4.2 Vỡ đập Suối Trầu ở Khánh Hòa
1.4.3 Vỡ đập Am Chúa ở Khánh Hòa
1.4.3 Đập tràn hồ chứa nước Dầu tiếng
1.5 Các phƣơng pháp xử lý thấm nâng cao ổn định đập
đất và điều kiện ứng dụng.
1.5.1 Mục đích của việc xử lý thấm
1.5.2 Giải pháp xử lý thấm cho cơng trình đập
1.5.3 Chống thấm bằng khoan phụt truyền thống.
1.6
Tình hình giải bài tốn thấm
1.6.1 Tình hình giải bài tốn thấm ở nước ngồi.
1.6.2 Tình hình giải bài tốn thấm ở trong nước.
Ở Việt Nam, Nguyễn Xuân Trường đã sử dụng phương pháp
thuỷ lực để tính tốn thấm qua đập đất có các kiểu thiết bị chống
thấm tường nghiêng, tường răng, bản cọc, màng xi măng; Nguyễn
Hữu An đã sử dụng phương pháp thuỷ lực để xác định phạm vi bảo
vệ đê sơng trên cơ sở giải bài tốn thấm và đánh giá ổn định nền đê;
Hu nh Bá Kỹ Thuật đã dùng phương pháp thuỷ lực để tính tốn
thấm qua cơng trình thuỷ lợi có xét sự trao đổi nước thấm giữa thân
và nền đập. Giải bài toán thấm qua đập đất khi dùng hai dãy hào
bentonite làm thiết bị chống thấm và một số tác giả khác đã nghiên
cứu bài tốn thấm khơng gian .

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 được sử dụng nhiều, nhưng mơ hình tính thấm khơng gian
(3D) việc sử dụng trong thực tế còn nhiều hạn chế.
1.7 Kết luận chƣơng 1
Đối với đập đất vấn đề tính thấm được đề cập tới như là một
nội dung xuyên suốt trong q trình thiết kế, thi cơng và vận hành
của cơng trình, nhằm xác định các yếu tố thủy lực của dịng thấm.
Trong nhiều trường hợp do đánh giá khơng chuẩn 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 được giải quyết
bằng các phương pháp cổ điển như phương pháp phân đoạn, phương
pháp biến đổi mái dốc..., và các phương pháp hiện đại như: sai phân
hữu hạn, phần tử hữu hạn, … theo các mơ hình thấm một chiều, hai
chiều, hoặc ba chiều. Trong đó phương pháp PTHH có ưu điểm trội
hơn các phương pháp khác là do nó có thể cho lời giải bài tốn
thấm khá chính xác so với các phương pháp khác và tự động hóa
được tính tốn đối với miền thấm có địa chất phức tạp, hình dạng
biên và điều kiện biên tùy ý.
Dịng thấm hai bên vai đập là khá phức tạp, nó thay đổi theo
cả không gian và thời gian. Các phương pháp cổ điển tính thấm trong
trường hợp này đều theo mơ hình thấm ổn định, hai chiều đứng 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 chưa hợp lý, đơi khi gây lãng phí hoặc mất an tồn. Do
vậy việc áp dụng phương pháp PTHH với mơ hình ba chiều sẽ cho
kết quả gần đúng với thực tế nhất.

9

Luận văn sẽ ứng dụng mơ hình Seep3D của GEO-SLOPE
international, Ltd được xây dựng dựa trên cơ sở của phương pháp
PTHH với khả năng mơ hình hố dịng thấm ổn định theo khơng
gian ba chiều, để tính thấm khơng gian qua đập đất Hồ chứa nước
Nước Trong tỉnh Quảng Ngãi nhằm xác định đường bão hòa của
dòng thấm và ảnh hưởng của nó đối với ổn định mái đập.


10

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA SPEE3D – 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 của GEO-SLOPE international Ltd
để giải bài toán thấm ba chiều. Seep3D thể hiện mơ hình khác hồn
tồn so với mơ hình số của GeoStudio. Người dùng khơng chỉ tạo mơ
hình khơng gian tương thích với kết quả thực tế mà cịn có thể tạo
ra nhiều lớp bài tốn mà trước đây khơng thể phân tích được.
Seep3D dựa trên khái niệm "các đối tượng" được kết hợp với
nhau để tạo thành mơ hình. Cách dễ nhất để tưởng tượng hệ thống mới là
nghĩ đến LEGO®, trị chơi nổi tiếng của trẻ em. LEGO® gồm nhiều
miếng nhỏ riêng biệt, nhưng khi kết nối lại với nhau sẽ xây dựng thành
cấu trúc có ý nghĩa. Các miếng tương đối đơn giản hoặc các hạng mục
được cụ thể hóa như một hàm đơn.

Vật liệu và các điều kiện biên được tạo thành riêng biệt trong
miền. Điều này cho phép người dùng xóa các khối trong miền mà
khơng mất đi bất cứ thơng tin gì về điều kiện biên hay vật liệu. Tạo
một điều kiện biên và sau đó áp nó vào nhiều vị trí trong miền cho
phép người sử dụng chỉ vào thông tin một lần, giảm bớt các sai sót có
thể xảy ra. Người dùng cũng có thể thay đổi tính chất vật liệu tồn bộ
bằng cách chỉnh sửa vật liệu; các giá trị mới sẽ được sử dụng cho các
khối mà sử dụng vật liệu đó.
Khi người 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 được xây dựng 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.


11

Người sử dụng sẽ có kết quả mình cần từ số lượng lớn dữ liệu
được phân tích 3D. Chẳng hạn, có thể xuất dữ liệu sử dụng "kết quả
tại các mặt cắt" ngang qua miền cho thấy các đường mức trên bề mặt
(surface contours), vectơ dòng chảy và đường dòng. 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
2.2.1 Hàm số hàm lượng chứa nước thể tích
2.2.2 Hàm số thấm
2.2.3 Quy luật dịng chảy
2.2.4 Các phương trình tổng quát
2.2.5 Hệ tọa độ
2.2.6 Các hàm nội suy

2.2.7 Các hàm số đạo hàm của hàm nội suy:

2.3 Giải bài toán thấm 3 chiều theo phƣơng pháp phần
tử hữu hạn.
2.3.1 Phương pháp phần tử hữu hạn
Các phương trình phần tử hữu hạn dưới đây nhận được bằng cách
áp dụng phương pháp số dư trọng số Galerkin vào phương trình vi phân
tổng quát (phương trình 2.11) là:
(
2.29 )
Phương trình PTHH có thể được viết tắt là:
[ ]{ } [ ]{ }
(2.30)

{ }


12

Trong đó:
[K]: Ma trận đặc trưng phần tử = v [ ] [ ][ ]
[Q] : Vector lưu lượng phần tử = = A 〈 〉 ] 〈 〉
Phương trình (2.29) là phương trình PTHH tổng qt để phân tích
q trình thấm khơng ổn định. Đối với phân tích ở trạng thái ổn định
thì cột nước khơng phải là hàm số theo thời gian và vì vậy số hạng
{M}, {H}, t biến mất và phương trình PTHH rút gọn lại là:
[K] {H} ={Q}
2.3.2 Phép tích phân theo thời gian
2.3.3 Tích phân số
2.3.4 Ma trận dẫn thủy lực

2.3.5 Ma trận khối lượng
2.3.6 Lưu lượng biên
2.3.7 Sắp xếp và giải các phương trình tổng quát
2.3.8 Sơ đồ giải lặp
2.3.9 Gradient và vận tốc
Khi lời giải đã hội tụ và các cột nước tại nút đã biết, Seep3D
tính tốn Gradient thủy lực và vận tốc dòng chảy Darcian tại mỗi
điểm lặp lại trong từng phần tử. Gradient tại mỗi điểm giải Gauss
hoặc tại mỗi điểm tích phân được tính tốn theo phương trình sau:
{ }

[ ][ ]

Vận tốc Seep3D thực tế là vận tốc Darcian hoặc lưu lượng
xác định với lưu lượng tổng được chia bởi tồn bộ diện tích mặt cắt
ngang (phần rỗng cũng như phần đặc); không phải là tốc độ thực
mà nước chuyển động giữa các phần tử đất. Vận tốc vi mơ thực hoặc
vận tốc tuyến tính tại một điểm có thể được tính tốn bằng cách
chia vận tốc Darcian cho hàm lượng thể tích chứa nước tại điểm đó.


13

2.3.10 Lưu lượng dịng thấm
Seep3D có khả năng tính tốn lượng thấm chảy qua bất cứ bề
mặt nào của miền thấm. Lưu lượng này có thể được tính sử dụng
phương trình phần tử hữu hạn cơ bản.
{ }

[ ]{ }

[ ]

(2.43)
Phương trình này chỉ ra rằng khi biết cột nước tổng, lưu
lượng tại tất cả các nút của một phần tử có thể được tính tốn dựa
trên ma trận đặc trưng phần tử [K], ma trận khối lượng phần tử [M],
bước thời gian lướt qua và cột nước tổng của bước thời gian trước.
Trong phân tích trạng thái ổn định, số hạng chứa [M] trở nên bằng
0, và phương trình giảm số còn:
{ } [ ]{ }
(2.44)
Lưu lượng tại một nút có thể được giả thiết cùng với
việc cho lưu lượng dòng chảy của mặt trên miền thấm. Khi quy ước
dấu, dấu dương thể hiện lưu lượng vào hệ dòng chảy và dấu âm thể
hiện lưu lượng ra của hệ dòng chảy.
2.3.11 Hàm vật liệu
Seep3D sử dụng kỹ thuật nội suy spline trọng số để tạo sự
trơn tru, độ dẫn liên tục và các hàm lượng chứa nước thể tích. Ngoài
ra để xác định hàm trơn tru và liên tục, nội suy spline cũng cung cấp
đạo hàm bậc nhất của đường cong tại bất k điểm nào.
Vì tất cả các hàm là xấp xỉ của sự ứng xử của thế giới có
thực nên thường thuận tiện để sử dụng các giá trị dữ liệu đo được
để định nghĩa một hàm. Những giá trị này sẽ xuất hiện răng cưa và sẽ
khơng phản ánh dữ liệu đo được một cách chính xác. Để khắc phục
điều này Geostudio cung cấp một phương tiện kiểm soát bằng
cách mà đường cong nội suy trùng với các điểm dữ liệu. Đối với


14

mỗi hàm,

bạn có thể vào một "Fut Curve to Data (Smooth)

percentage" và một "Curve Segments (Tension) percentage" gữa 0
và 100%.
Khi đường cong trùng chính xác (100 ) với các điểm dữ
liệu, thì đường cong đi qua mỗi điểm. Khi độ khớp của đường cong
giảm, hình dạng nội suy tiến đến đường thẳng mà đi qua gần với
mỗi điểm. Điều này có ích khi bạn muốn xấp xỉ một đường cong đi
qua các điểm dữ liệu đo đuợc trong phịng thí nghiệm mà khơng có
sự di chuyển của bất cứ điểm nào.
Khi các đoạn cong là cong (100 ) giữa các điểm thì đường
cong được định nghĩa như một đường cong tự nhiên. Khi các đoạn
cong thẳng hơn, thì các đoạn cong tiến đến đường thẳng giữa các
điểm dữ liệu. Các đoạn cong thẳng giúp tránh được "spline
overshoot" (cực k lên đến đỉnh hoặc thung lũng trong đường cong).
Nó cũng cho phép bạn xác định "step" các hàm mà có đoạn thẳng
giữa mỗi điểm dữ liệu.
2.4 Kết luận chương 2
Mơ hình Seep3D là một trong những mơ hình tốn để mơ
hình hóa dịng thấm. Cùng với sự phát triển của ngành công nghệ
thông tin và phương phần tử hữu hạn Seep3D đã trở thành cơng cụ
mạnh trong lĩnh vực tính thấm khơng gian cho đập khi có điều kiện
biên phức tạp. Miền tính tốn được Seep3D dựa trên khái niệm "các
đối tượng" được kết hợp với nhau để tạo thành mô hình. Nhờ vậy,
phần mềm này có thể chi tiết hóa miền tính tốn, đặc biệt tại vị trí có
địa hình, địa chất và điều kiện biên phức tạp.

15

Chƣơng 3. ỨNG DỤNG SEEP3D TÍNH THẤM KHƠNG GIAN
QUA ĐẬP ĐẤT HỒ NƢỚC TRONG
3.1 Mơ tả cơng trình.
Dự án Hồ chứa nước Nước Trong [8] thuộc khu vực phía
Bắc tỉnh Quảng Ngãi, nằm trong lưu vực của Sông Trà Khúc gồm
đất đai của các huyện: Tây Trà, Sơn Hà, Sơn Tịnh, thị xã Quảng
Ngãi, Tư Nghĩa, Nghĩa Hành, Mộ Đức ...
Hồ chứa nước Nước Trong dự kiến xây dựng trên sông Nước
Trong, phụ lưu tả ngạn sông Trà Khúc.
Cụm công trình đầu mối hồ chứa nước nằm trên địa bàn xã
Sơn Bao huyện Sơn Hà, cách thị xã Quảng Ngãi khoảng 50 Km về
phía Tây, cách thị trấn Sơn Hà khoảng 10 Km về phía Tây - Tây Bắc.
Vùng lịng hồ chứa gồm 2 xã huyện Sơn Hà (Di Lăng và Sơn
Bao) và 4 xã của huyện Tây Trà (Trà Phong, Trà Xinh, Trà Trung và
Trà Thọ).
Vùng tuyến cơng trình đầu mối hồ chứa nước nằm trên đoạn
sông, cách cửa vào của suối Nước Nia khoảng 1 Km về hạ lưu, và
sau khuỷu sông chuyển hướng Đông Bắc - Tây Nam của dịng chính.
Đoạn tuyến nghiên cứu giai đoạn này nằm ở vị trí có toạ độ khoảng:
+ 15º03’00”
vĩ độ Bắc.
+ 108º25’00” kinh độ Đơng.
Vùng lịng hồ gồm nhánh chính của Nước Trong có hướng
Tây Bắc và 2 nhánh phụ là suối Nước Biếc có hướng Đơng Bắc và
suối Nước Nia có hướng Đơng-Tây nằm trong phạm vi toạ độ từ
15º03’ đến 15º09’40” vĩ độ Bắc, và từ 108º19’48” đến 108º26’15”
kinh độ Đông.

Vùng hưởng lợi của dự án là vùng hạ du sông Trà Khúc, bao
gồm các huyện thuộc khu tưới hệ thống thủy lợi Thạch Nham, khu
công nghiệp Dung Quất và thành phố Vạn Tường, nằm ở trung tâm
và vùng Bắc tỉnh Quảng Ngãi.
3.2 Điều kiện địa hình địa mạo
Địa hình tương đối phức tạp, lịng sơng suối hẹp, có độ dốc
lớn, ít có vị trí có bụng hồ lớn, hai bên vách lũng sông suối dốc
đứng. Hệ phủ thực vật là rừng nguyên sinh rậm rạp, cây cối đan dày,


16

nhiều tầng phủ xen kẽ nhau, rừng có nhiều vắt...
Sườn vách bờ sơng, suối đều dốc, phần lớn sườn có độ dốc
40o - 45o. Đặc biệt ở sườn vách dòng chính đoạn thượng lưu gần có
độ dốc rất lớn, trên 45o.
3.3 Địa chất nền đập đất
Địa tầng nền đập từ trên xuống gồm các lớp:
Lớp (1a): Hỗn hợp cát cuội sỏi màu xám vàng, xám trắng.
Cát chủ yếu hạt thô đến trung, thành phần chính là thạch anh, tập
trung chủ yếu ở phần trên của lớp. Cuội sỏi có thành phần chsinh là
thạch anh,granit, gneiss biotit, hàm lượng tăng dần theo chiều sâu,
nguồn gốc bồi tích (aQ).
Lớp (3a): Đất á sét nặng đến sét màu nâu vàng loang lổ đốm
trắng, lẫn nhiều dăm sạn . Trạng thái nửa cứng đến cứng, chặt vừa.
Hàm lượng dăm sạn khoảng 10-20%, thành phần dăm sạn chủ yếu là
thạch anh cứng chắc. Lớp có chiều dày từ 1-4m trên các sườn đồi 2
vai tuyến đập. Nguồn gốc pha tích (dQ).
Lớp (3b): Đất á sét nặng đến trung lẫn nhiều dăm sạn, đá
cục, có chỗ là hỗn hợp dăm sạn và á sét, màu nâu vàng, xám nâu

loang lổ. Trạng thái dẻo cứng đến cứng, chặt vừa. Hàm lượng dăm
sạn từ 20-40 có nơi đến 50-60 , kích thước dăm sạn thay đổi
mạnh từ 0,3-6cm có nơi đến >10cm. Dăm sạn đá cục là các mảnh đá
phong hố cịn sót lại khá mềm bở. Nguồn gốc tàn tích(eQ).
Khu vực đập đất nằm trong khu vực đầu mối, vì vậy chỉ tiêu
cơ lý của các lớp đất đá nền đập được sử dụng trong bản Tổng hợp
chỉ tiêu cơ lý đất nền khu vực đầu mối của đập bê tông số hiệu
No.331D-ĐC-ĐBT-10A.
Chỉ tiêu cơ lý các lớp đất nền nêu trong bảng PL3-1.
Đá gốc Proterozoi-Phức hệ Ngọc Linh-Hệ tầng Tắc Pỏ
(PR1tp2). Tập 2 đặc trưng bởi các đá phiến thạch anh - silimanit granat xen kẹp với các lớp mỏng quazit, gneis bioti - granat, granit
và gneis migmatit. Đá màu xám đen, xám nâu, dải xám trắng. Cấu
tạo phân lớp, phân dải, kiến trúc tấm hạt biến tính. Mỗu sắc và độ
cứng thay đổi tùy theo mức độ phong hoá như sau:


17

Đá phong hoá mạnh, màu xám nâu đến xám vàng vân nâu
đỏ, đá tương đối mềm yếu, nứt nẻ mạnh, mặt nứt đã bị nhuốm ơxuyt
sắt màu nâu xẫm, có khe nứt bị lấp đầy bởi các hạt sét. Đới này có
tốc độ sóng địa chấn khoảng V = 1200-1600 m/s.
Đá phong hoá vừa màu xám nâu, nâu vàng, đá khá cứng, nứt
nẻ trung bình, mức tưới độ 5-6 khe nứt.m dài nõn khoan, khe nứt
xiên góc 20-45o đến 60-85o, mặt nhám phủ oxuyt sắt, măngan, bị lấp
nhét bằng canxit clorit. Đới này có tốc độ sóng địa chấn V = 16002000 m/s.
Đá phong hoá nhẹ với V = 2100-3200 m s đến tươi với V =
4500-5000 m s. màu xám xanh, xám đen dải vân trắng đến xám
trắng, cứng chắc, nứt nẻ ít, khe nứt kín, mảnh, bị lấp nhét bằng canxit
đôi chỗ gặp các mạch thạch anh. Đới đá này phân bố rộng khắp khu

vực nghiên cứu và nằm dưới cùng của độ sâu khảo sát.

Hình 3. 1: Mặt Cắt H35 ngang đập hiện trạng

Hình 3. 2: Cắt dọc Hố móng đập đất
3.4 Các chỉ tiêu thiết kế cơng trình:
3.5 Các bƣớc thiết lập mơ hình và khai thác kết quả chạy
mô phỏng


18

3.5.1 Trường hợp tính tốn
Các trường hợp tính tốn ổn định đập đất, thời k tính tốn
thấm ổn định có 4 trường hợp tính tốn thấm và 4 trường hợp tính
tốn ổn định [9]. Trong luận văn này tác giả chọn một trường hợp để
nghiên cứu đó là:
Trường hợp đặc biệt: MNTL là MN lũ kiểm tra 131.66 m; MNHL
110m.
3.5.2 Thiết lập mơ hình tính thấm Seep3D của đập đất Hồ
Nước Trong
Đập đất Hồ Nước Trong có địa hình, địa chất thay đổi nhiều. Bởi vì
Seep3D chỉ có thể mơ phỏng một số hữu hạn khối phần tử và hình
dạng phần tử không đa dạng nên luận văn chỉ lập mơ hình mặt cắt
điển hình H35 (theo hồ sơ hồn cơng).
Với việc giả thiết dịng thấm tại mặt cắt thẳng góc trục đập tại giữa
lịng sơng (mặt cắt H35) là hai chiều đứng (2DV), có nghĩa khơng có
dịng thấm theo trục đập, mặt biên cho thông lượng thấm bằng 0
Với cách chọn mơ hình có các tính chất như trên, dịng thấm trong
mơ hình sẽ thể hiện sát dịng thấm thực tế hơn. Tiến hành thao tác

trên Seep3D như sau:
Phác họa bài tốn: Vào Solid Regions;
Xem mơ hình: Vào View \ Regions;
Khai báo tính chất của vật liệu, đất nền: Vào Project \
Material để khai báo tính chất của đất (hệ số thấm, hàm lƣợng chứa
nước thể tích…).
3.5.3 Chia lưới miền tính tốn
Đập được chia lưới trong mơ hình SEEP 3D được thể hiện trong
hình 3.2

Hình 3. 2: Chia lưới mơ hình Sleep 3D đập đất Hồ Nước Trong


19

3.5.4 Điều kiện biên
Chọn mặt chuẩn 0-0 trùng với cao trình 0.00 của bản vẽ thiết kế cơng
trình.
+ Điều kiện biên chủ yếu:
- Mặt biên thượng lưu: Cột nước H = Z + p/ɤ
- Mặt biên hạ lưu: H1 = Z1 + p/ɤ
Trong đó:
Z: MN lũ kiểm tra Z = 131.66 m;
Z1: MN phía hạ luu ứng với lưu lượng xả lũ kiểm tra Z1 = 0m; p: Áp
suất mặt thoáng p = 0;
ɤ: Trọng lượng riêng của nước.
Cột nước thượng lưu (MNGC Kiểm tra): HTL = 131.66m và HHL =
110 m.
Các mặt phía trên MNHL khai báo là biên thấm mao dẫn
(Potential Seepage): Bằng 0 tại thời điểm t = 0.

+ Điều kiện biên thứ yếu: Các mặt biên cịn lại của mơ hình: thơng
lượng bằng 0 (flux = 0). Thao tác trên Seep3D:
Vào Project \ Boundary Conditions để khai báo điều kiện
biên của bài toán;
Xem điều kiện biên: View \ Boundary Conditions.
3.5.4 Xem kết quả

Hình 3. 3: Kết quả chạy mơ hình SEEP 3D
Kết quả chạy từ mơ hình SEEP 3D được chỉ ra trong hình 3.3. Trong
nội dung này tác giả xuất kết quả của 3 mặt cắt chính: đứng, ngang
và giữa thân đập. Đối với mặt cắt song song với mặt đáy kết quả chỉ


20

ra từ hình 3.4 đến hình 3.6.Mơ hình có thể xuất ra các thông số như:
tổng cột nước, cột nước áp suất, vận tốc thấm, gradient thấm theo 3
phương. Ở đậy tác giả chỉ đưa ra thông số đại diện về độ thấm.

Hình 3. 4:Tổng cột nước tại mặt cặt giữa thân đập
Hình 3.5 và 3.6 hiện diện độ thấm theo phương x (Kx) và theo
phương Y (Ky) với hệ trục tọa độ, gốc tọa độ nằm giữa. Hệ số thấm
ở phương x có giá trị khoảng 5.10-6 (m s). Đối với phương y nhỏ
hơn và giá trị này nằm ở 3.10-11 (m/s). Điều này chứng tỏ hệ số
thấm theo các phương là khơng giống nhau. Vì vậy thật cần thiết
phải mơ hình 3D để thấy sự khác biệt.

Hình 3. 5: Hệ số thấm theo phương x

Hình 3. 6: Hệ số thấm theo phương y

+Kết quả mơ hình mặt cắt dọc chỉ ra trong hình 3.7.


21

Hình 3. 7: Mặt cắt dọc thân đập
+Tại mặt cắt đứng
Kêt quả mặt cắt đứng được minh họa trong hình 3.8

Hình 3. 8: Kết quả của mặt cắt đứng
Nhận xét: Mô hinh SEEP 3D đã chỉ ra chi tiết tại các mặt cắt theo
các phương x,y,z. Đây là một thuận lợi khi thiết kế mặt cắt ngang
của đập đất.
3.6 Kết quả tính thấm 2D của một số mặt cắt điển hình
gian qua đập đất Hồ Nƣớc Trong (Kế thừa từ tính tốn ổn định
và thấm của cơng ty Hec 1)
Kết quả tính tốn với mơ hình 2 chiều bằng phần mềm
SEEP/W tại các mặt cắt ngang trong các trường hợp được minh họa
từ hình

Hình 3. 9: Đường bão hịa và lưu lượng thấm qua mặt cắt giữa đậpTH1


22

Hình 3. 10: Hệ số ổn định mái HL –TH3 Tổ hợp đặc biệt TL
(MNLKT); HL(MN ~QTK)
Nhận xét: Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập TH1,2,3,4 và
H35 hệ số ổn định đều lớn hơn hệ số ổn định tối thiểu cho phép (theo
TCXDVN 285:2002) [K] = 1,15. Điều đó chứng tỏ mái đập ứng với

trường hợp tính tốn này là an tồn.
3.7 So sánh giữa mơ hình Seep3D và mơ hình 2D
(Seep/W)
Như đã phân tích ở trên, tác giả tiến hành so sánh đường bão
hòa thấm, tại mặt cắt H35 từ kết quả tính thấm giữa mơ hình Seep3D
và mơ hình 2D (Seep W). Ứng với mực nước kiểm tra lớn nhất là
131,66m. Đường bão hịa của mơ hình 3D gần tương đồng với mơ
hình 2D tuy nhiên ở phía thượng lưu đường bão hịa của mơ hình 3D
nằm dưới so với mơ hình 2D và chỉ sai số nhỏ ở phần phía hạ lưu và
dẫn đến hệ số ổn định đối với mơ hình 3D lớn hơn mơ hình 2D.

Hình 3. 11: Kết quả tính ổn định mái hạ lưu đập tại MC-H35 (theo mơ hình
2D)

3.8 Kết luận chƣơng 3
Ứng dụng mơ hình Seep3D đã giải bài tốn thấm khơng gian
qua đập đất Hồ chứa nước Nước Trong với điều kiện địa hình, địa
chất và điều kiện biên phức tạp. Kết quả của mơ hình vừa cho ta một
cái nhìn trực quan và cụ thể dịng thấm qua đập.


23

Kết quả của luận văn đã so sánh kết quả tính thấm từ mơ
hình Seep3D và mơ hình 2D (Seep W) cho thấy: tại mặt cắt H35
(có sự tương đồng về điều kiện biên) đường bão hịa trong mơ hình
Seep3D tương đồng với mơ hình 2D, chỉ có phần hạ lưu có sai số ít
do mơ phỏng hệ thống thốt nước hơi phức tạp trong mơ hình 3D và
đường bão hòa ở phần thượng lưu nằm thấp hơn so với mơ hình 2D.
Vì vậy đối với các đập có điều kiện biên phức tạp khi thiết kế cần

phải tính khơng gian để lựa chọn kích thước mặt cắt hợp lý.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. KẾT LUẬN
Từ kết quả nghiên cứu thấm khơng gian qua đập đất của
cơng trình Hồ chứa nước Nước Trong tác giả rút ra kết luận sau:
+ Việc tính thấm theo mơ hình 3D rất cần thiết cho thiết kế
đập đất.
+ Các phương pháp tính thấm cổ điển: tính thấm theo
phương pháp cơ học chất lỏng; theo phương pháp thủy lực… chỉ có
thể áp dụng cho bài tốn hai chiều, với điều kiện về địa hình, địa
chất đơn giản và kết quả tính tốn có sai số nhất định. Phương pháp
phần tử hữu hạn áp dụng tính thấm cho bài toán hai chiều cho kết
quả tốt trong điều kiện địa hình địa chất phức tạp biến đổi lớn theo
phương chính của dịng thấm, phương cịn lại ít biến đổi. Phương
pháp phần tử hữu hạn áp dụng tính thấm cho bài tốn khơng gian
gần như mơ tả đầy đủ được dòng thấm thực qua đập đất, nên kết quả
thõa mãn yêu cầu thực tế.
+ Trong phạm vi nghiên cứu, tác giả đã tính tốn thấm
khơng gian (3D) cho đập đất Hồ Nước Trong cho thấy: đường bão
hòa theo mơ hình SEEP 3D thể hiện chi tiết và tương đồng với mơ
hình 2D, tuy nhiên đường bão hịa ở phía hạ lưu có sai số nhỏ do việc
mơ phỏng hệ thống thoát nước trong SEEP 3D hơi phức tạp và phía
thượng lưu đường bão hịa nằm thấp hơn và sai số nhỏ so với mơ
hình 2D điều này dẫn đến hệ số ổn định tăng. Kết quả thấm theo các
phương được chi tiết. Vì vậy khi thiết kế đập đất trong điều kiện
như trên, cần dựa vào kết quả tính thấm ba chiều để đánh giá mức