Nghiên cứu ảnh hưởng chiều rộng của sân chống thấm bằng mô hình bài toán thấm 3 chiều

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 15 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CHIỀU RỘNG CỦA SÂN CHỐNG THẤM BẰNG MÔ HÌNH BÀI TOÁN THẤM 3 CHIỀU BÙI VĂN TRƢỜNG* Effect of width of waterproofing courtyard in 3 dimensional model Abstract: For the waterproofing courtyard of dams, 2D problem often does not take into account of the its width and can lead to incorrect results. This paper presents the analysis and evaluation of technical efficiency of waterproof courtyard in 3D seepage problem for a concret project and find out that the effectiveness of waterproofing courtyard depends not only on the length all so on the its width. That contributed to the orientation for the calculation and design work to ensure more effective. Keywords: Waterproofing courtyard, influence width, seepage 3 dimensional. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ* Sân phủ chống thấm - sân trước (SCT) là giải pháp được sử dụng phổ biến trong xây dựng các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện. SCT được xây dựng ở phía thượng lưu (hình 1) bằng vật liệu có tính thấm nhỏ. SCT có thể làm bằng đất sét, pha sét (Ks <10-6cm/s), màng địa kỹ thuật chống thấm GCL, HDPE (hình 2) có K=10 -11 -10 -13 cm/s (Nguyễn Đình Hùng, 2008), bê tông asphan, bê tông thường hoặc BTCT (TCVN9143:2012). SCT có tác dụng kéo dài đường thấm, tăng sức cản thấm xuyên của lớp đất phía thượng lưu, do đó giảm lưu lượng và áp lực của dòng thấm ở nền công trình, nhờ đó ngăn chặn được tác động bất lợi của dòng thấm. Hình 01. Sân phủ chống thấm (I) * Khoa Công trình - Đại học Thủy lợi 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội DĐ: 0912135769; Email: buitruongtb@gmail.com Hình 02. Màng địa kỹ thuật chống thấm GCL & HDPE Hiệu quả chống thấm của SCT không chỉ phụ thuộc vào chiều dài (Ls), chiều dầy (ts) của sân mà còn phụ thuộc quan trọng vào chiều rộng (Bs) của SCT. Nếu SCT có chiều rộng nhỏ hẹp, dòng thấm vòng hai bên SCT có thể vô hiệu hóa tác dụng chống thấm của SCT. Tuy nhiên, trong thiết kế SCT, tác dụng chống thấm của SCT thường được tính toán theo bài toán phẳng (2D). Chiều dài (Ls), chiều dày (ts) của sân được xác định theo công thức Ughintrut (TCVN 9143:2012), nhưng chiều rộng (Bs) của SCT chưa được xét đến trong bài toán này. Do vậy, kết quả tính toán thường không phản ánh được sự phát triển phức tạp và bất lợi của dòng thấm. Hậu quả là đã có những công trình bị sự cố gây thiết hại nghiêm trọng (Phan Sỹ Kỳ, 2000). ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 16 Để có những nhìn nhận đầy đủ, rõ ràng và trực quan hơn về vấn đề này, cần phân tích, đánh giá và so sánh hiệu quả của SCT có chiều rộng (Bs) và chiều dài (Ls) khác nhau trong bài toán thấm 3D. Với mục đích đó, công trình đê Tả sông Hồng, đoạn từ K142145 được lựa chọn trong nghiên cứu này. Nền công trình có tầng thấm nước mạnh thông nước với sông. Trong lịch sử đã xảy ra nhiều sự cố, điển hình là thảm hoạ vỡ đê tại K143.2 vào tháng 8 năm 1945. 2. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT NỀN CÔNG TRÌNH Nền công trình bao gồm 4 lớp (Bùi Văn Trường, 1993, 2009): - Lớp 1: Sét pha, dẻo mềm; - Lớp 2: Sét pha, kẹp cát, chảy; - Lớp 3: Cát hạt nhỏ, chặt vừa-xốp; - Lớp 4: Bùn sét pha. Đặc trưng cơ lý của các lớp đất nền được trình bày trong bảng 01. Như vậy, trong cấu trúc nền đê, lớp 1 & 2 là các lớp đất thuộc tầng phủ thấm nước yếu. Nằm dưới tầng phủ là lớp cát hạt nhỏ, chặt vừa÷xốp có tính thấm mạnh . Lớp này bị sông đào cắt, nên có quan hệ thủy lực trực tiếp với nước sông. Khi có nước lũ về, mực nước sông dâng cao, gia tăng áp lực thấm lên tầng phủ làm phát sinh biến dạng thấm (BDT) gây mất ổn định nền đê. Trong điều kiện đó, SCT là một trong những giải pháp xử lý (GPXL) được nghiên cứu lựa chọn. Bảng 01. Đặc trung cơ lý các lớp đất nền 3. MÔ HÌNH BÀI TOÁN THẤM 3 D 3.1. Cơ sở lý thuyết của mô hình và phƣơng pháp giải Để xây dựng MH bài toán thấm 3D cho khu vực công trình, sử dụng phần mềm Visual Modflow phiên bản 4.2.0.151 của Mỹ. Phần mềm này có những tính năng hiện đại, linh hoạt, cho phép mô phỏng khá đầy đủ các tính chất, hình thái của môi trường và các hợp phần của hệ thống. Sử dụng phần mềm này cùng với sự hỗ trợ của hệ phần mềm Surfer, Mapinfor cho phép mô hình hóa hệ thống tự nhiên - kỹ thuật (TNKT), bao gồm hệ thông công trình, SCT và các GPXL theo bài toán 3D. Mô hình này cho phép xác định được các thông số của trường thấm ở bất kỳ thời điểm và vị trí nào trong khu vực, từ đó có thể tính toán, dự báo; phân tích, đánh giá hiệu quả kỹ thuật của SCT và các GPXL được thuận tiện và chính xác. a. Mô hình toán học Sự biến đổi độ cao mực nước (MN) dưới đất h(x, y, z) được mô tả bằng một phương trình đạo hàm riêng như sau: t h SW z h K zy h K yx h K x szzyyxx                                 (1) trong đó: Kxx, Kyy, Kzz - hệ số thấm theo các hướng x, y và z; ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 17 h - cốt cao MN tại vị trí (x,y,z) ở thời điểm t; W - module dòng ngầm, phụ thuộc thời gian và vị trí không gian (x,y,z); Ss - hệ số nhả nước đơn vị (1/m). Phương trình (1) mô tả động thái của nước dưới đất (NDĐ) trong môi trường không đồng nhất và dị hướng (Todd D.K, 1980). Phương trình (1) cùng với các điều kiện biên, điều kiện ban đầu tạo thành MH toán học của dòng thấm. b. Phương pháp giải Trong thực tế, miền thấm có điều kiện rất phức tạp, do vậy (1) được giải bằng sai phân hữu hạn. Với phương pháp này, môi trường thấm được chia thành các lớp. Mỗi lớp lại được chia thành các ô nhỏ. Từ đó thiết lập được hệ phương trình có số phương trình tương ứng với số ô lưới. Giải lặp hệ phương trình này sẽ xác định được h(x, y, z) ở bất kỳ thời điểm (t) nào đó trong môi trường thấm. 3.2. Cơ sở tài liệu của mô hình Mô hình được xây dựng trên cơ sở tổng hợp các tài liệu và số liệu địa hình, địa hình đáy sông; tài liệu khảo sát ĐCCT-ĐCTV nền đê theo các đề án; số liệu quan trắc MNDĐ năm 2003, 2004; số liệu thuỷ văn trạm Nhật Tảo; số liệu khí tượng trạm Thái Bình, Nam Định; tài liệu các đề tài, dự án liên quan (Bùi Văn Trường, 2009). 3.3.Xây dựng mô hình bài toán thấm - Mô hình hóa bề mặt địa hình Từ các tài liệu đo vẽ địa hình khu vực, địa hình đáy sông, sử dụng phần mềm Surfer của Mỹ số hoá bản đồ địa hình nền, xây dựng bản đồ bề mặt địa hình 3D để đưa vào MH. - Mô hình hóa các lớp đất nền Trên cơ sở tài liệu địa chất nền đê, các công trình trên đê,..., tiến hành lập các bản đồ đẳng đáy, bản đồ đẳng bề dày các lớp đất để mô phỏng các lớp đất nền trong MH. - Tính thấm, giá trị bổ cập và bốc hơi Từ số liệu ĐCTV tiến hành phân vùng và MH hoá độ nhả nước, xây dựng sơ đồ phân vùng hệ số thấm của TCN để đưa vào MH. Lượng mưa, bốc hơi tính toán trong MH được xác định theo số liệu quan trắc của trạm Thái Bình, Nam Định. - Điều kiện biên của mô hình Sông đào cắt vào TCN, có quan hệ thuỷ lực trực tiếp với NDĐ nên được đặt là biên loại III (biên sông “River”). Diễn biến MN trên biên sông được xác định theo tài liệu quan trắc tại trạm thuỷ văn Nhật Tảo và Nam Định (Trung tâm khí tượng thủy văn Quốc gia, 2008). Mô hình bài toán thấm 3D khu vực đê Tả sông Hồng K142145 thể hiện ở hình 03 & hình 04. Hình 03. Mô hình bài toán thấm 3D khu vực đê Tả sông Hồng K142145 3.4. Chỉnh lý mô hình a. Kết quả bài toán chỉnh lý ổn định Độ tin cậy của MH được đánh giá bởi sai số trung bình (ME), sai số trung bình tuyệt đối (MAE), sai số trung bình quân phương (RMS) và sai số trung bình quân phương tiêu chuẩn (NRMS). Kết quả bài toán chỉnh lý trình bày ở bảng 02 & hình 05. Kết quả này cho thấy sự phù hợp với điều kiện tự nhiên và kết quả quan trắc MNAL ở nền đê. Bảng 02. Kết quả tính toán sai số mực nƣớc theo bài toán chỉnh lý ổn định ME (m) MAE (m) RMS (m) NRMS (%) 0.008 0.023 0.031 3.33 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 18 Hình 04. Sơ đồ điều kiện biên và lưới sai phân trong mô hình Hình 05. Tương quan MN tính toán với quan trắc theo bài toán chỉnh lý ổn định b. Kết quả chỉnh lý không ổn định Bảng 03. Sai số mực nƣớc theo kết quả bài toán chỉnh lý không ổn định Thời điểm ME (m) MAE (m) RMS (m) NRMS (%) ĐL1 0.002 0.009 0.010 0.36 CL1 0.002 0.009 0.009 0.89 ĐL2 0.002 0.009 0.010 0.62 CL1 0.005 0.016 0.018 1.77 Điều kiện biên và các thông số của MH được chỉnh lý qua từng bước thời gian. Độ tin cậy của MH phản ánh qua sai số và tương quan giữa cốt cao MN trên MH với mực nước quan trắc thực tế tại các lỗ khoan ở các thời điểm đỉnh lũ 1 (ĐL1), chân lũ 1 (CL1), đỉnh lũ 2 (ĐL2), chân lũ 2 (CL2) được thể hiện ở bảng 03, hình 06 & hình 07. Hình 06. Tương quan MN tính toán với quan trắc theo bài toán chỉnh lý không ổn định Hình 07. Biến đổi MN tính toán và quan trắc theo bài toán chỉnh lý không ổn định 3.5. Kết quả mô hình Kết quả mô hình đã xác định được các thông số của trường thấm ở nền đê tại các thời điểm và vị trí khác nhau (hình 08), từ đó cho phép giải các bài toán thấm chính xác và hiệu quả. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 19 a b Hình 08. Bản đồ đẳng cao trình mực nước áp lực ở nền đê tại thời điểm BBĐIII (a), ĐL (b) khi chưa có SCT 4. CÁC KỊCH BẢN NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 4.1. Các kịch bản tính toán SCT Sau khi xây dựng MH bài toán thấm 3D cho công trình. Để phân tích, đánh giá cụ thể hiệu quả của SCT, đã MH hoá, tính toán SCT trong mô hình 3 D theo các kịch bản với chiều rộng (Bs) và chiều dài (Ls) khác nhau. a. Các kịch bản SCT có chiều dài khác nhau Các kịch bản này, SCT có cùng chiều rộng Bs = 1000m, nhưng có chiều dài Ls như sau: - Kịch bản 1-1: Ls = 50 m; - Kịch bản 1-2: Ls = 100 m; - Kịch bản 1-3: Ls = 200 m. b. Các kịch bản SCT có chiều rộng khác nhau Trong các kịch bản này, SCT có cùng chiều dài Ls = 200m, nhưng có chiều rộng Bs khác nhau: - Kịch bản 2-1: Bs = 100 m; - Kịch bản 2-2: Bs = 500 m; - Kịch bản 2-3: Bs = 1000m. 4.2. Kết quả tính toán Kết quả tính toán của MH theo các kịch bản của SCT với các trường hợp mực nước báo động I, II, II (BĐI, BĐII, BĐIII), đỉnh lũ (ĐL), sau đỉnh lũ 2 ngày (SDDL2), và sau đỉnh lũ 4 ngày (SĐL4) với biến đổi MN trận lũ lịch sử tháng 8/1996 được thể hiện cụ thể ở bảng 04, hình 09 và hình 10. Bảng 04. Biến đổi mực nƣớc áp lực ở đáy tầng phủ tại vị trí chân đê phía đồng với SCT có chiều rộng (Bs) và chiều dài (Ls) khác nhau Mức lũ Cao trình mực nước áp lực (Htt, m) Chưa có sân chống thấm Ls = 50m, Bs = 1000m Ls = 100m, Bs = 1000m Ls = 200m, Bs = 1000m Ls = 200m, Bs = 500m Ls = 200m, Bs = 100m BĐI 3.29 3.13 2.95 2.79 2.82 3.13 BĐII 3.64 3.43 3.17 2.90 2.96 3.44 BĐIII 4.36 4.10 3.72 3.29 3.43 4.13 ĐL 4.52 4.24 3.84 3.37 3.52 4.28 SĐL2 4.68 4.43 4.02 3.52 3.70 4.48 SĐL4 4.73 4.51 4.14 3.66 3.85 4.57 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 20 Hình 09. Biến đổi cao trình mực nước áp lực ở đáy tầng phủ thấm nước yếu tại vị trí chân đê khi SCT có chiều dài (Ls) khác nhau Hình 10. Biến đổi cao trình mực nước áp lực ở đáy tầng phủ thấm nước yếu tại vị trí chân đê khi SCT có chiều rộng (Bs) khác nhau 5. PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦ TƢỜNG CHỐNG THẤM Từ kết quả tính toán ở bảng 04, hình 09 & hình 10 cho thấy: - Ở các kịch bản 1-1, 1-2, 1-3: Khi tăng chiều dài LS của SCT, mực nước áp lực (MNAL) ở đáy tầng phủ (Htt) giảm tương ứng với mức độ tăng chiều dài của san (bảng 04 & hình 09), các đường biến đổi MNAL theo thời gian (t) với SCT có Ls = 50m, 100m, 200m cách nhau khá đều (hình 09). - Ở các kịch bản 2-1, 2-2, 2-3: Khi giữ nguyên chiều dài Ls, giảm chiều rộng Bs, áp lực thấm tăng rất nhanh, đường biến đổi Htt theo thời gian ở SCT có chiều rộng Bs = 100m nằm gần đường MNAL khi chưa có SCT và nằm cao hơn nhiều đường biến đổi MNAL (Htt) khi chiều rộng của SCT Bs =500m, 1000m (hình 10). Điều đó cho thấy rõ, hiệu quả của SCT giảm khi chiều dài của sân giảm; khi chiều rộng sân giảm, hiệu quả của SCT cũng giảm, và nếu SCT không đủ rộng (kịch bản 2-1) thì SCT gần có hiệu quả rất thấp (hình 10). Từ kết quả MH, nếu chập bản đồ đẳng cao trình MNAL thực tế (Htt) của từng kịch bản SCT với bản đồ đẳng cao trình MNAL cho phép (Hcf), dễ dàng xác định được phạm vi có nguy cơ phát sinh BDT ứng với mỗi kịch bản. Tổng hợp loạt bản đồ dự báo BDT theo các kịch bản cho phép thành lập được bản đồ dự báo nguy cơ phát sinh BDT cho các kịch bản SCT. Đây là bức tranh rất trực quan, hiệu quả của SCT theo các kịch bản có chiều dài (Ls) và chiều rộng (Bs) khác nhau được thể hiện rất rõ bằng phạm vi BDT được xử lý của SCT (hình 11 và hình 12): Với SCT có chiều rộng Bs như nhau, khi sân dài LS=50m chỉ xử lý được 6% diện tích (SXL) so với diện (S) khi không có SCT, với LS = 100m SXL= 11%, LS = 200m SXL= 33% (hình 11). Trong trường hợp SCT có chiều dài như nhau, nếu sân rộng BS = 100m chỉ giảm được SXL= 4%, còn với BS = 500m giảm được SXL=22% (hình 12). Các kết quả nêu trên chứng tỏ chiều rộng của SCT cũng có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của SCT. Nếu SCT có chiều rộng không phù hợp thì ngay cả khi SCT có chiều dài lớn, do ảnh hưởng của dòng thấm vòng, SCT cũng có tác dụng rất thấp. Đây là điều cần lưu ý khi tính toán thiết kế xử lý BDT bằng giải pháp SCT. Hình 11. So sánh hiệu quả của SCT có chiều dài (Ls) khác nhau ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 4-2015 21 Hình 12. So sánh hiệu quả của SCT có chiều rộng (Bs) khác nhau 6. KẾT LUẬN - Hiệu quả kỹ thuật, khả năng chống thấm của SCT không chỉ phụ thuộc vào chiều dài (Ls) của sân mà còn phụ thuộc quan trọng vào chiều rộng (Bs) của SCT. Chiều dài và chiều rộng của SCT giảm thì hiệu quả chống thấm của SCT đều giảm. SCT đạt hiệu quả cao nhất khi có chiều rộng và chiều dài phù hợp. SCT quá hẹp sẽ có hiệu rất quả thấp, thậm chí không có tác dụng. Đây là vấn đề cần lưu ý khi thiết kế SCT. - Nghiên cứu hiệu quả, tác dụng chống thấm của SCT trong bài toán thấm 3D với sự hỗ trợ của hệ phần mềm Visual Modflow cho phép so sánh, lựa chọn, tối ưu hóa các thông số kỹ thuật của SCT được thuận tiện, chính xác. Để đảm bảo an toàn cho công trình và phát huy tối đa hiệu quả của SCT, khi thiết kế xây dựng SCT cần tính toán và kiểm tra các thông số thiết kế SCT theo MH bài toán thấm 3D. TÀI LIỆU TH M KHẢO 1.NguyÔn §×nh Hïng, NguyÔn TiÕn §¹t (2008), “øng dông mµng §Þa kü thuËt chèng thÊm”, T¹p chÝ Tµi nguyªn n-íc, (1-2008), tr.26-31. 2.Phan Sỹ Kỳ (2000), Sự cố một số công trình thuỷ lợi ở Việt Nam và các biện pháp phòng tránh, Nxb Nông Nghiệp, Hà Nội. 3.Trung tâm khí tượng thủy văn Quốc gia (2008), Số liệu quan trắc thủy văn trạm Nhật Tảo, trạm Triều Dương, trạm Nam Định, Hà Nội. 4.Bùi Văn Trường (1993), Báo cáo địa chất công trình nền đê Tả Hồng hà I, từ Km142,2÷Km145, Thái Bình. 5.Bùi Văn Trường, Phạm Văn Tỵ (2008), Biến dạng thấm nền đê sông tỉnh Thái Bình và một số kết quả nghiên cứu, Báo cáo tuyển tập công trình khoa học, Hội thảo khoa học toàn quốc “Tai biến địa chất và giải pháp phòng chống”, Hà Nội. 6.Bùi Văn Trường (2009), Nghiên cứu biến dạng thấm nền đê hạ du sông Hồng địa phận tỉnh Thái Bình và đánh giá thực nghiệm các giải pháp xử lý, Luận án tiến sĩ kỹ thuật , Hà Nội. 7.Bùi Văn Trường (2013), Cơ chế phá hủy thấm nền đê hạ du sông Hồng, Tạp chí Địa kỹ thuật, số 4-2013, Hà Nội. 8.TCVN 8253:2012, Công trình thủy lợi - Nền các công trình thủy công - Yêu cầu thiết kế. 9.TCVN 9143:2012, Công trình thủy lợi - Tính toán đường viền thấm dưới đất của đập không phải là đá. 10.Todd D.K. (1980), Groundwater hydrology, John Wiley & Sons, New York chichester Bribane Toronto. 11.Waterloo Hydrogeologic, Visual Modflow 4.2.0.151, Canada. Người phản biện: PGS, TS ĐOÀN THẾ TƯỜNG