Đề tài Ứng dụng phần mềm GeoSlove để tính ổn định cho đập đất bằng các phương pháp khác nhau để so sánh tìm ra phương pháp tối ưu nhất

MỤC LỤC GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI................................................................................................... 2 NỘI DUNG ĐỀ TÀI........................................................................................................... 3 CHƯƠNG I : ĐẶT VẤN ĐỀ.............................................................................................. 3 1.1. Sự cần thiết của đề tài .............................................................................................. 3 1.2. Mục tiêu của đề tài ................................................................................................... 5 1.3.Phương pháp nghiên cứu của đề tài .......................................................................... 5 1.4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài ................................................................................. 5 CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM GEO - SLOVE.......................................... 6 2.1 Giới thiệu tổng quan về STEEP................................................................................ 6 2.1.1 Giới thiệu về mô hình và môi trường làm việc.................................................. 6 2.1.2 Khả năng của STEEP......................................................................................... 6 2.2 Giới thiệu tổng quan về SLOVE............................................................................... 9 2.2.1 Giới thiệu về mô hình và môi trường làm việc.................................................. 9 2.2.2 Khả năng của SLOVE........................................................................................ 9 2.2.3. Phương pháp tính toán ổn định trong mô hình ................................................. 9 2.3. Cấu trúc mô hình.................................................................................................... 10 2.3.1. Khung giao diện.............................................................................................. 10 2.3.2.Cấu trúc của lệnh DEFINE .............................................................................. 11 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ĐỂ TÍNH ỔN ĐỊNH CHO ĐẬP ĐẤT CỦA HỒ EADIE............................................................................................................................... 13 3.1. Giới thiệu về khu vực nghiên cứu.......................................................................... 13 3.1.1. Vị trí địa lí của khu vực .................................................................................. 13 3.1.2 Địa hình, địa mạo............................................................................................. 15 3.1.3 Địa chất công trình khu vực khảo sát............................................................... 15 3.1.4 Địa chất thủy văn khu vực khảo sát ................................................................. 18 3.1.5 Thủy văn khu vực khảo sát ............................................................................. 18 3.1.6. Đặc điểm khí tượng......................................................................................... 19 3.2.Nhập số liệu ............................................................................................................ 21 3.2.1. Lập phạm vi làm việc...................................................................................... 22 3.2.2. Lập tỷ lệ .......................................................................................................... 22 3.2.3.Lập trục ............................................................................................................ 22 3.2.4. Nhập các điểm................................................................................................. 23 3.3 Chậy mô hình......................................................................................................... 24 3.1.1. Trường hợp chống thấm bằng tường nghiêng + sân phủ ................................ 24 3.1.2. Trường hợp chống thấm bằng tường nghiêng + chân răng............................. 30 3.1.3. Trường hợp chống thấm bằng tường lõi + chân răng ..................................... 34 3.4 Phân tích kết quả tính thấm..................................................................................... 37 3.5.Tính ổn định............................................................................................................ 38 3.5.1.Phương pháp tường nghiêng + sân phủ ........................................................... 38 3.5.2.Phương pháp tường nghiêng + chân răng ........................................................ 41 3.5.3.Phương pháp tường lõi + chân răng................................................................. 42 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 44 Kết luận......................................................................................................................... 44 Kiến Nghị...................................................................................................................... 44 www.tainguyennuoc.vn GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.Tên đề tài: “Ưng dụng phần mềm GeoSlove để tính ổn định cho đập đất bằng các phương pháp khác nhau để so sánh tìm ra phương pháp tối ưu nhất” 2.Mục tiêu yêu cầu Nghiên cứu khoa học ¾ Mục tiêu: - Nhằm đáp ứng yêu cầu đào tạo, tăng khả năng ứng dụng các phần mềm hiện đại phục vụ quá trình học tập trong trường cũng như sau khi tốt nghiệp ra trường. - Tạo cho sinh viên có kĩ năng cơ bản về làm đề tài khoa học - Phát huy được tính sang tạo của sinh viên ¾ Yêu cầu: Yêu cầu sinh viên tập trung nghiên cứu lý thuyết, hình thành phương pháp nghiên cứu tổng hợp vận dụng công nghệ phần mềm trong phạm vi nghiên cứu để giải quyết vấn đề đặt ra.Sinh viên thể hiện thành quả bằng một bản thuyết minh báo cáo và 45’ đến 60’ báo cáo thuyết trình bảo vệ trước hội đồng. 1. Giáo viên hướng dẫn: - Th.S Nguyễn Thanh Tuyền -K.S. Triệu Ánh Ngọc 2. Sinh viên thực hiện: - Nguyễn Thị Hồng Lớp S6_45N - Trường Đại Học Thuỷ Lợi – Cơ Sở II 3. Thời gian thực hiện: 1.5 tháng từ 25/03/2008 đến 10/05/20083 www.tainguyennuoc.vn NỘI DUNG ĐỀ TÀI CHƯƠNG I : ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. Sự cần thiết của đề tài Ở nước ta hầu hết các đập ngăn nước đều làm bằng vật liệu là đất đồng chất. Khi mực nước hồ dâng lên, hạ xuống xuống thất thường thì sẽ làm mất ổn định mái đập gây ra trượt, lún, xói mòn cục bộ… Chính vì vậy mà việc tính toán chế độ ổn định cho đập đất là rất quan trọng và cần thiết. Một số ảnh chụp sự cố trượt www.tainguyennuoc.vn www.tainguyennuoc.vn Trong thực tế thường gặp các loại đập đất trên nền thấm nước, đất nền và đất đắp đập cũng gồm nhiều lớp khác nhau. Những bài toán thuộc loại này khá phức tạp, vì phải đề cập đến môi trường nhiều lớp và các điều kiện biên phức tạp. Các cách giải bài toán thấm đã học chỉ gần đúng và đơn giản. Ngay nay với sự phát triển mạnh mẽ của các phương pháp số và công cụ máy tính nói chung có thể giải được bài toán thấm với biên bất kì cho bài toán phẳng và bài toán không gian, thấm ổn định và không ổn định… Chính vì thế tôi đã ứng dụng phần mềm STEEP/W, SLOVE/W để đưa vào tính thấm và tính ổn định cho đập đất EaDie. 1.2. Mục tiêu của đề tài Nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu khoa học trong sinh viên tạo điều kiện cho sinh viên có cơ hội tiếp cận các vấn đề khoa học, biết vận dụng, bổ sung, nâng cao các kiến thức đã được học trong nhà trường. Nhằm ứng dụng phần mềm vào việc tính thấm, tính ổn định cho đập đất một cách nhanh chóng và chính xác. 1.3.Phương pháp nghiên cứu của đề tài Lần lượt đưa ra 3 biện pháp chống thấm hiện nay cho đập đất như là: tường nghiêng + sân phủ, tường lõi + chân răng, tường nghiêng + chân răng. Tính thấm qua đập đất bằng phương pháp phần tử hữu hạn có kết hợp sử dụng phần mềm STEEP/W sau đó dung phần mềm SLOVE/W để tính ổn định cho đập đất từ đó xác định ra hệ số an toàn và kiểm tra xem với trị số đó đập có ổn định không. So sánh, lựa chọn trong số các biện pháp đó một biện pháp chống thấm tốt nhất, an toàn nhất và kinh tế nhất 1.4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài Trong phạm vi của đề tài này, chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu ứng dụng phần mềm GEO - SLOVE để tính ổn định cho đập đất khi có nhiều phương án chống thấm khác nhau Chỉ xét đập đất trên nền thấm nước khi nền thấm là hữu hạn. www.tainguyennuoc.vn CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM GEO - SLOVE 2.1 Giới thiệu tổng quan về STEEP 2.1.1 Giới thiệu về mô hình và môi trường làm việc STEEP/W là một trong 6 phần mềm địa kỹ thuật trong bộ GEO-SLOPE Officeb của GEO-SLOPE International- Canada. STEEP/W là phần mềm giao diện đồ họa, 32 bít có thể chạy trong hệ điều hành Win 95/98/NT/2000 và XP, dùng mô hình hóa chuyển động của nước và phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong môi trường đất đá theo PTHH. 2.1.2 Khả năng của STEEP STEEP/W có thể phân tích bài toán: dòng thấm có áp, không áp, ngấm do mưa, thấm từ bồn chứa nước ảnh hưởng tới mức nước ngầm, áp lực nước lỗ rỗng dư và thấm ổn định và không ổn định. STEEP/W ghép đôi với SLOVE/W phân tích ổn định mái dốc trong điều kiện có áp lực nước lỗ rỗng phức tạp( khi hồ chứa bắt đầu dâng hoặc rút nước) STEEP/W ghép đôi với CTRAN/W phân tích lan truyền vật ô nhiễm trong đất đá. STEEP/W ghép đôi với SIGMA/W để giải quyết bài toán cố kết thấm Do đó có thể áp dụng STEEP/W vào việc tính toán- thiết kế các công trình xây dựng, địa kỹ thuật, khai thác mỏ có liên quan. Ngoài ra, SEEP/W còn sử dụng hàm thấm, thể hiện mối quan hệ giữa hệ số thấm và áp lực nước lỗ rỗng, hàm lượng chứa nước thể tích với áp lực nước lỗ rỗng trong đất. www.tainguyennuoc.vn 2.1.3. Phương pháp tính toán thấm trong mô hình 2.1.3.1. Mục đích và nhiệm vụ của việc tính toán thấm Mục đích : Cần phải tính toán thấm qua thân đập, nền đập để làm cơ sở tính toán ổn định mái, kết cấu chống thấm, kết cấu các bộ phận tiêu nước hợp lý và kinh tế nhất. Trong tính toán thấm, cần phải xác định các thông số của dòng thấm ở thân đập, nền đập và bờ đập sau đây : - Xác định lưu lượng thấm qua thân đập và qua nền. Trên cơ sở đó tìm lượng nước tổn thất của hồ do thấm gây ra và có biện pháp phòng chống thấm thích hợp. - Xác định vị trí đường bão hòa, từ đó sẽ tìm được áp lực thấm dung trong tính toán ổn định của mái đập. - Xác định gradient thấm ( hoặc lưu tốc thấm) của dòng chảy trong thân đập, nền đập nhất là chỗ dòng thấm thoát ra ở hạ lưu để kiểm tra xói ngầm, đẩy trôi đất và xác định kích thước cấu tạo của tầng lọc ngược. 2.1.3.2.Phương pháp tính toán thấm a. Cơ sở lí luận của STEEP/W Dòng thấm trong đất bão hòa và không bão hòa tuân theo định luật thấm Darcy q = kjω hoặc có thể viết dưới dạng v = kj Trong đó : q = lưu lượng thấm đơn vị v = lưu tốc thấm trung bình k = hệ số thấm j = gradient của dòng thấm. Lưu lượng vào và ra khỏi phân tố đất biến thiên theo độ ẩm thể tích ∆θ Trường hợp thấm ổn định Qvào – Qra =∆θ=0 - www.tainguyennuoc.vn b. Phương trình thấm Tính toán thấm theo phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên phần mềm SEEP/W của hãng GEO-SLOPE International Ltd của Canada. Các phương trình cơ bản sau đây được sử dụng tính toán thấm trong SEEP/W như sau : Phương trình vi phân tổng quát + Trường hợp dòng ổn định t Q y Hk yx Hk x yx ∂ ∂=+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂ θ + Trường hợp dòng không ổn định t HmQ y Hk yx Hk x wwyx ∂ ∂=+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂+⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂ ..γ Trong đó : H = tổng cột nước kx = hệ số thấm theo phương x ky = hệ số thấm theo phương y Q = lưu lượng biên áp đặt cho phần tử. q = lượng chứa nước thể tích t = thời gian γ n = trọng lượng đơn vị của nước mw = hệ số góc của đường cong lượng chứa nước với áp lực lỗ rỗng. Ngoài ra, SEEP/W còn sử dụng hàm thấm, thể hiện mối quan hệ giữa hệ số thấm và áp lực nước lỗ rỗng, hàm lượng chứa nước thể tích với áp lực nước lỗ rỗng trong đất. Lưu lương thấm qua đập tính gần đúng theo công thức sau : Q = q.Ltb 2.1.3.3. Trường hợp tính toán Các tính toán về thấm được tiến hành với mực nước đặc trưng ở thượng và hạ lưu sau đây : TH : Ở thượng lưu là mực nước dâng bình thường là 448.60m, ở hạ lưu là MNHLBT = 438.6m. Các hệ số thấm của các lớp đất dùng cho việc tính toán thấm lấy như sau : Lớp đất đắp đập chính thượng lưu k = 2,0x10-5 cm/s Lớp đất nền 1: k = 8,0x10-3 cm/s Lớp đất nền 2: k = 5,0x10-4 cm/s Lớp đất nền 3: k = 6,0x10-5 cm/s Lớp đất nền 4: k = 3,0x10-4 cm/s www.tainguyennuoc.vn 2.2 Giới thiệu tổng quan về SLOVE 2.2.1 Giới thiệu về mô hình và môi trường làm việc SLOVE/W là một trong 6 phần mềm địa kỹ thuật trong bộ GEO-SLOPE Officeb của GEO-SLOPE International- Canada. SLOVE/W là phần mềm giao diện đồ họa, 32 bít có thể chạy trong hệ điều hành Win 95/98/NT/2000 và XP 2.2.2 Khả năng của SLOVE SLOVE/W phân tích ổn định mái đất – đá theo phương pháp cân bằng giới hạn khối trong đất bào hòa và không bão hòa như: + Mái dốc đồng nhất, không đồng nhất trên nền đá + Mái dốc chịu tải trọng ngoài và có cốt gia cố + Tích hợp với STEEP/W phân tích ổn định mái dốc trong điều kiện áp lực nước lỗ rỗng phức tạp + Tích hợp với SIGMA/W phân tích ổn định theo phần tử hữu hạn + Phân tích ổn định mái dốc theo xác xuất 2.2.3. Phương pháp tính toán ổn định trong mô hình 2.2.3.1. .Mục đích và nhiệm vụ của việc tính tổn định Xác định hệ số ổn định nhỏ nhất của mái đập, từ đó chọn hệ số mái, kích thước đập hợp lý về kỹ thuật và thi công. 2.2.3.2.Phương pháp tính toán ổn định Phần mềm SLOPE/W của hãng GEO-SLOPE International Ltd của Canada cho phép tính toán theo rất nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp Morgenstern, PP GLE, PP BISHOP, JANBU, PP SNIP 2.06.05-84….. Trong công trình này, tính toán ổn định mái đập được lựa chọn theo phương pháp GLE. Phương pháp GLE + Gỉa thiết: Dùng một hàm tùy ý để xác định phương của tổng lực giữa các thỏi. Phần trăm của hàm đó, λ, cần thỏa mãn điều kiện cân bằng mô men và cân bằng lực được tính bằng cách ìm giao điểm trên đường quan hệ hệ số an toàn. Sơ đồ giả thiết và xác định hệ số an toàn mặt trượt trụ tròn www.tainguyennuoc.vn 2.2.3.3. Trường hợp tính toán Tính toán ổn định mái đập tiến hành đối với một mặt cắt ngang lớn nhất ở giữa lòng sông cho trường hợp sau đây : Ở thượng lưu là mực nước dâng bình thường là 448.10m, ở hạ lưu là MNHLBT 438.6m Qua thí nghiệm đất đắp, đất nền và kinh nghiệm đắp đập, chọn các chỉ tiêu kháng cắt dùng trong tính toán ổn định mái đập theo bảng sau : Thông số đất dùng trong phân tích ổn định Lớp đất Chỉ tiêu kháng cắt Dung trọng Đất đắp đập C =3 T/m2, φ =25 o γ = 1.97 T/m3 Đất nền lớp 1 C =2.4 T/m2, φ =23 γ = 1.82T/m3 Đất nền lớp 2 C =2 T/m2, φ =15 o γ = 1.90T/m3 Đất nền lớp 3 C =2.5 T/m2,φ =13 o γ = 1.99T/m3 Đất nền lớp 4 C =2.3 T/m2,φ =14 o γ = 2.01T/m3 Đá C =0 T/m2,φ =32 o γ = 2.5T/m3 2.3. Cấu trúc mô hình 2.3.1. Khung giao diện www.tainguyennuoc.vn 2.3.2.Cấu trúc của lệnh DEFINE STEEP/W dùng thanh và các thanh công cụ để đều khiển: Thanh thực đơn buông ( Menu Bar): File, Edit, Set, View, KeyIn, Draw, Sketch, Modify, Tool, Help; Thanh công cụ( Tool bar) gồm 5 loại: - Thanh công cụ chính ( Standard Toolbar): gồm các nút để thao tác tệp, in, sao chép …. - Thanh công cụ chế độ( Mode Toolbar): Gồm các nút nhập các chế độ thao tác để hiển thị và soạn thảo đối tượng văn bản và đồ thị. - Thanh công cụ xem ưu tiên( View Prerences Toolbar): Gồm những nút để hiện tắt những ưu tiên hiển thị www.tainguyennuoc.vn Thanh công cụ lưới( Gird Toolbar) :Điều khiển, hiển thị ô lưới Thanh công cụ Zoom: điều khiển phóng to – thu nhỏ www.tainguyennuoc.vn CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ĐỂ TÍNH ỔN ĐỊNH CHO ĐẬP ĐẤT CỦA HỒ EADIE 3.1. Giới thiệu về khu vực nghiên cứu Khu vực EaDie trước kia thuộc phạm vi hành chính xã Krông Buk, huyện Krông Pach, nay đã được tách ra thành một xã mới, xã Vụ Bổn. Những năm qua dân di cư tự do từ các tỉnh phía bắc như : Hà Bắc, Lạng Sơn, Thanh Hóa..., gồm nhiều thành phần khác nhau, di cư tự do đến vùng đất mới này để lập nghiệp. Nhưng do điều kiện di cư tự do, không có tổ chức quản lý và hỗ trợ đầu tư ban đầu của Nhà Nước, nên đời sống của người dân trong vùng gặp nhiều khó khăn, thiếu thốn, phát sinh nhiều vấn đề xã hội phức tạp. Trong đó đáng chú ý là tình trạng bao chiếm đất đai, khai thác tài nguyên bừa bãi, phá rừng. Cho đến nay diện tích canh tác đã đạt được 2438 ha, trong đó lúa 1658 ha, đậu ngô sắn các loại 550 ha, cây công nghiệp 310 ha. Canh tác cây hàng năm chủ yếu dựa vào nước mưa, mùa khô nguồn nước lấy từ sông Ea Krông Pach rất hạn chế. Được tưới bằng bơm nhỏ (công suất từ 10 đến 12 CV). Trên địa bàn khu vực nghiên cứu có 11.956 nhân khẩu . Người Kinh người dân tộc sống xen kẽ nhau , số hộ dân tộc chiếm 1/3 trên tổng số hộ toàn xã . Lao động nông nghiệp chiếm 89 % , bình quân đất nông nghiệp 0,8 ha / hộ , nguồn thu nhập của người dân chủ yếu dựa vào nghề nông .Sản xuất nông nghiệp theo phương thức quản canh quản cư . Diện tích canh tác tuỳ thuộc vào nước trời . Mùa mưa có nước thì sản xuất , mùa khô thì không có nước tưới .Đời sống kinh tế của người dân nhiều khó khăn, sản xuất nông nghiệp phụ thuộc Đất nông nghiệp hiện nay chỉ làm được một vụ với năng suất thấp , việc làm không ổn định dễ sinh ra phá rừng và các tồn tại xã hội khác Để giải quyết căn bản những khó khăn trên cần có biện pháp thủy lợi tạo nên nguồn nước tưới ổn định cho phát triển nông nghiệp ổn định lương thực, khai thác tiềm năng đất đai thích hợp với cây trồng lúa, màu , cà phê. Tăng thu nhập , nâng cao đời sống nông dân trên khu vực dự án tiến đến giảm hộ đói nghèo xuống 5% theo mục tiêu đề ra Qua phân tích, đánh giá các phương án đề ra thì phương pháp khả thi nhất là xây dựng hồ chứa với công trình đầu mối là đập đất EaDie, tràn xả lũ, hệ thống kênh chính… 3.1.1. Vị trí địa lí của khu vực Công trình hồ chứa nước EaDie thuộc huyện Krông Pach, cách Thị xã Buôn Ma Thuột khoảng 60 km về phía đông là khu vực vùng núi Tây Nguyên độ cao vùng dự án 430 ÷ 460m. Dự án nằm phía đông đường 495 (đường trục chính xã ). - Phía Bắc giáp xã Ea Kly - Phía Đông giáp huyện Eô Eka - Phía Nam giáp suối,rừng www.tainguyennuoc.vn - Phía tây giáp Hoà Phong , K rông Bông Vị trí công trình đầu mối dự kiến ở khoảng 11o39’ Vĩ độ Bắc và 108o27 Kinh độ Đông www.tainguyennuoc.vn 3.1.2 Địa hình, địa mạo Khu vực nghiên cứu có đặc điểm vùng Tây Nguyên gồm nhiều đồi úp bát cao độ khoảng 450m thấp dần từ Bắc xuống Nam, từ Đông sang Tây, thấp dần về phía sông Krông Pach. 3.1.3 Địa chất công trình khu vực khảo sát a) Vùng hồ Bao quanh vùng hồ là địa hình đồi bát úp với độ dốc rất thoải. Tầng phủ là đất á sét nhẹ - sét có nguồn gốc chủ yếu là Aluvi, Eluvi, Deluvi….Các loại đất này có tính thấm nhỏ vì vậy theo đánh giá thì lượng nước thấm từ hồ chình ra các thung lũng kế cận không đáng kể. Các hiện tượng tái tạo bờ hồ khó có khả năng xảy ra. b) Tuyến đập Tuyến đập cắt qua các lớp đất đá khác nhau như: + Lớp 1a: Á sét nặng – sét màu vàng, xám vàng. Trạng thái dẻo cứng – nửa cứng, kết cấu chặt vừa. Lớp này chỉ gặp ở VB2, Đ4 và Đ5 với bề dày thay đổi 1.6 – 2.1m. Kết quả thí nghiệm thấm cho thấy lớp có hệ số thấm K = 6.2x10-5 – 3.1x10-4cm/s. + Lớp 1b: Á sét nhẹ – á cát màu xám vàng, xám xanh, vàng nhạt, hồng nhạt. Trong tầng đôi chỗ có chứa một ít sạn sỏi nhỏ thạch anh. Kết cấu kém chặt. Lớp này chỉ gặp ở VB2, Đ4 và Đ5 với bề dày thay đổi 3.2 – 3.7m. Kết quả thí nghiệm thấm cho thấy lớp có hệ số thấm K = 4.3x10-3 – 5.7x10-3cm/s. + Lớp 1: Á sét nhẹ – trung màu xám đen, xám vàng, vàng nhạt. Kết cấu kém chặt. Lớp này phân bố trên mặt, có mặt phần lớn dọc tuyến với bề dày thay đổi 0.2 – 1.3m. Kết quả thí nghiệm t