Thí nghiệm xác định tốc độ xói của đất đắp dưới tác dụng của dòng chảy trên bề mặt
BÀI BÁO KHOA HỌC
THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ XÓI CỦA ĐẤT ĐẮP
DƯỚI TÁC DỤNG CỦA DÒNG CHẢY TRÊN BỀ MẶT
Phạm Thị Hương1
Tóm tắt: Hiện tượng xói trên bề mặt đập dưới tác dụng của dòng chảy là nguyên nhân chủ yếu của
quá trình phát triển vỡ đập. Nghiên cứu cơ chế xói của đất đắp dưới tác dụng của dòng chảy tràn
trên bề mặt là việc làm cần thiết để đánh giá an toàn đập khi nước tràn đỉnh. Từ các nghiên cứu
trước đây đã thiết lập được công thức tính tốc độ xói của đất. Tuy nhiên với mỗi loại đất, cần thông
qua thí nghiệm để xác định các hằng số xói trong công thức. Bài báo trình bày nội dung thí nghiệm
xác định tốc độ xói của mẫu đất dính trên máng kính thủy lực, từ kết quả thí nghiệm xác định được
các hằng số xói của vật liệu.
Từ khóa: Tốc độ xói, nước tràn đỉnh đập, vỡ đập.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ1
nhân chủ yếu của quá trình phát triển vỡ đập.
Nước tràn đỉnh đập là nguyên nhân chính gây Nghiên cứu cơ chế xói của đất đắp dưới tác
sự cố vỡ của các đập vật liệu địa phương. Theo dụng của dòng chảy là việc làm cần thiết để
International Commission on Large Dams đánh giá an toàn đập khi nước tràn đỉnh.
(ICOLD, 1973), 35% đập đất bị vỡ do nước tràn
đỉnh đập, 65% còn lại do các nguyên nhân khác
như thấm, xói ngầm... Các con đập bị vỡ gây ra
hậu quả nghiêm trọng về tính mạng người dân
vùng hạ lưu, phá hoại nền kinh tế và môi trường
sinh thái khu vực xung quanh.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ
NGHIÊN CỨU
Dựa vào hàm mô tả tốc độ xói của đất dính từ
các nghiên cứu trước đây (Kazunori Fujisawa,
Akira Kobayashi, Kiyohito Yamamoto, 2008):
E ( c )
(1)
Việt Nam, với đa số là các hồ chứa vừa và
nhỏ, các hạng mục công trình thường không
được đầu tư xây dựng đầy đủ và có độ kiên cố
cần thiết. Chất lượng khảo sát, thiết kế, thi công
lạc hậu, không đáp ứng yêu cầu. Năng lực quản
lý, vận hành các hồ đập còn thiếu và yếu về
nhân lực, quy trình và trang thiết bị. Cộng với
ảnh hưởng của biến đổi khí hậu cũng như việc
tàn phá rừng đầu nguồn và nhiều nguyên nhân
khác nữa dẫn đến lũ lụt diễn biến thất thường và
có chiều hướng bất lợi hơn cho công trình. Lũ
vượt thiết kế ngày càng tăng đặc biệt là đối với
các công trình vừa và nhỏ (Phạm Ngọc Quý,
2008). Vì vậy, khả năng tiềm ẩn nguy cơ vỡ đập
do nước tràn đỉnh là rất lớn và là một vấn đề hết
sức nghiêm trọng. Hiện tượng xói trên bề mặt
đập dưới tác dụng của dòng chảy là nguyên
trong đó:
E là tốc độ xói (m/s);
τ là ứng suất cắt sinh ra bởi dòng chảy trên
bề mặt mẫu đất (N/m2);
τc là ứng suất cắt tới hạn của đất (N/m2);
α, τc là các hằng số xói của vật liệu ;
γ là số mũ thường lấy bằng 1.
Ứng suất cắt trung bình trên bề mặt mẫu đất
xác định theo công thức của Shaikh và các cộng
sự (G.J. hanson, K.R. Cook, S.L. Hunt) :
gh S 2fx S 2fy
(2)
trong đó:
ρ là khối lượng riêng của nước (kg/m3);
g là gia tốc trọng trường (m/s2);
h là chiều sâu nước (m);
S fx
S
,
fy là năng lượng mái dốc được xác
1 Khoa Công Trình, Trường Đại học Thủy Lợi.
định theo công thức Manning:
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
54
n2u u2 v2
n2v u2 v2
mỏng, xác định theo công thức:
;
S fy
(3)
S fx
h4 / 3
h4 / 3
H
m 0,402 0,054
(5)
P
n là hệ số nhám Manning;
H: là chiều cao cột nước trên ngưỡng tràn
đọc từ thước đo mét,
u và v là lưu tốc dòng chảy theo phương x và y.
Các hằng số xói của vật liệu phụ thuộc vào
nhiều yếu tố như đường kính hạt, độ ẩm của đất
khi đầm, nhiệt độ nước, độ đầm chặt và các chỉ
tiêu cơ lý (γ, φ, c)... Các hằng số này được xác
định thông qua thí nghiệm.
P: là chiều cao ngưỡng tràn,
B : là bề rộng ngưỡng tràn.
3.1.3. Thiết bị đo mực nước
Để đo mực nước tại mặt cắt ngưỡng tràn, một
ống tio được đặt luồn bên dưới ngưỡng để dẫn
mực nước tĩnh tại mặt cắt ngưỡng tràn ra khỏi
máng, đầu phía ngoài của ống tio được gắn vào
thành ngoài của bể chứa, bên cạnh là thước mét
để đọc số đo mực nước trên ngưỡng tràn.
Tại các mặt cắt dọc theo máng kính đều có
gắn các thước mét đo chiều sâu cột nước.
3.1.4. Thiết bị đo chiều cao mẫu đất
Một thước kẹp có vạch đơn vị đo theo chiều
dài được gắn vào đầu vít me. Thước di chuyển
lên cùng với vít me vì vậy có thể đọc số liệu về
chiều sâu bị xói của mẫu đất trên đầu thước kẹp.
3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.1. Thiết bị thí nghiệm
Xây dựng một máng thí nghiệm như hình 1,
máng được làm bằng thép hộp, sắt tấm và kính.
Máng có kích thước là 30cm rộng, 300cm dài và
40cm cao. Thượng lưu máng gắn vào một bể
chứa nước có máy bơm điều khiển lưu lượng.
Một lỗ khoét hình chữ nhật có kích thước
20x30cm được khoét dưới đáy máng cách mép
hạ lưu máng 50cm, đây chính là nơi mẫu đất
được đưa từ dưới lên trong quá trình làm thí
nghiệm. Mẫu đất được đưa dần lên trong quá
trình xói (đảm bảo bề mặt mẫu luôn luôn bằng
bề mặt đáy máng ) bằng hệ thống vít me.
3.1.1. Thiết bị đo vận tốc
Sử dụng máy đo lưu tốc điện tử hai chiều P-
EMS, bộ thí nghiệm tiêu chuẩn bao gồm: đầu
đo loại E – 30 (0 – 2.5m/s), bộ xử lý tín hiệu
nằm trong hộp nguồn UCC, cáp nối dài 10m.
Khi đo, hộp nguồn UCC được kết nối với máy
tính có cài đặt phần mềm đo đạc để đọc dữ liệu
từ đầu đo.
3.1.2. Thiết bị đo lưu lượng
Xây dựng một đập tràn thành mỏng ở cuối
đoạn kênh dẫn đưa nước trở về máng thu hồi
nước. Đập có chiều cao P = 11,5cm, chiều rộng
B = 49,6cm. Một thước mét đo chiều cao cột
nước trên ngưỡng tràn được gắn lên tường phía
thượng lưu cách ngưỡng tràn 20cm. Lưu lượng
qua tràn cũng chính là lưu lượng qua máng kính
được xác định theo công thức (Nguyễn Cảnh
Cầm và nnk, 1978) :
Hình 1. Máng kính thủy lực thí nghiệm
xói mẫu đất
3.2. Mẫu đất thí nghiệm
Vật liệu thí nghiệm là đất dính, được lấy tại
quả đồi xã Đồng Trúc huyện Thạch Thất, Hà
Nội. Đất được đưa về phòng thí nghiệm Địa kỹ
thuật, trường Đại học Thủy Lợi để xác định các
chỉ tiêu cơ lý theo: (TCVN 2683:2012, TCVN
4195:2012, TCVN 4196:2012, TCVN 4197:2012,
TCVN 4201:2012, TCVN 4202:2012).
Q mB 2gH 3/ 2
(4)
trong đó:
m: là hệ số lưu lượng của đập tràn thành
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
55
Bảng 1. Tổng hợp kết quả phân tích mẫu đất
Mẫu số 1
1,641
Mẫu số 2
1,695
Mẫu số 3
1,732
Mẫu số 4 Mẫu số 5
Dung trọng riêng γ (T/m3)
Góc ma sát φ (độ)
Lực dính C (kg/cm2)
Độ rỗng n (%)
1,768
33018’
0,370
50,25
1,787
32055’
0,412
49,72
35028’
0,259
34045’
0,333
34023’
0,339
53,83
52,29
51,27
cần được nối với máy tính trung tâm để đọc giá
trị vận tốc dòng chảy tại mặt cắt mẫu. Đồng thời
với thời điểm đo vận tốc, các giá trị cột nước
trên ngưỡng đập tràn thành mỏng, cột nước trên
ngưỡng tràn thượng lưu máng kính và tại các
mặt cắt cũng được đọc và ghi chép lại để tính
toán xác định lưu lượng và kiểm chứng giá trị
vận tốc đo được (Nguyễn Cảnh Cầm và nnk,
1978). Nước được bơm vào trong bể chứa
thượng lưu máng kính bằng một máy bơm. Lưu
lượng máy bơm có thể điều chỉnh bởi một van
điều khiển trung tâm đặt ngay trước cửa vào bể
Hình 2. Đường cong cấp phối hạt
của đất thí nghiệm
3.3. Quá trình và kết quả thí nghiệm
Cần đo lưu tốc được đặt tại đầu mặt cắt bố trí chứa, giữ cho lưu lượng không thay đổi trong
mẫu, đầu đo điện tử đặt cách đáy máng 1cm, suốt quá trình thí nghiệm.
VI
BÓ n-íc
Ng-ìng trµn
M¸ng kÝnh
TÊm kÝnh
Lç khoÐt
TÊm gç
TÊ
vi
Hình 3. Bố trí các mặt cắt đo mực nước và lưu tốc trên máng
Bảng 2. Kết quả đo các yếu tố thủy lực
Cột nước tại mặt cắt
Ứng suất
τ
Vận tốc
MC V-V
Cột nước
tràn H
Lưu
lượng Q
MC I-I MC II-II MC III-III MC IV-IV MC V-V
(cm)
3,5
5,0
6,5
7,5
9,0
(l/s)
(cm)
1,6
2,3
2,7
3,0
3,3
(cm)
0,9
1,4
1,9
2,2
2,6
(cm)
0,8
1,2
1,6
1,9
2,3
(cm)
0,7
1,1
1,5
1,7
2,1
(cm)
0,7
1,0
1,4
1,6
2,0
(m/s)
4,00
4,79
5,40
5,72
6,19
N/m2
6,712
8,537
9,808
10,421
11,382
6,02
10,45
15,75
19,73
26,35
Ứng suất τ xác định theo công thức (2) (3),
Sau khi điều chỉnh lưu lượng về đúng các cấp
lấy lưu tốc dòng chảy theo phương y bằng 0 lưu lượng đã định, lúc này tiến hành mở tấm
(v = 0)
nhựa dẻo trên bề mặt mẫu để đo tốc độ xói của
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
56
mẫu đất. Mẫu đất được đẩy lên bằng hệ thống với bước thời gian Δt.
vít me đảm bảo bề mặt mẫu luôn luôn bằng bề
Tốc độ xói được tính toán theo công thức
mặt đáy máng. Sau mỗi phút lại đọc số liệu về (Kazunori Fujisawa, Akira Kobayashi, Kiyohito
chiều cao còn lại của mẫu trên thước kẹp gắn Yamamoto, 2008):
z
t
trên vít me (loại bỏ kết quả của một số mẫu có
bề mặt xói không đều do đất không đồng nhất).
Tốc độ bào mòn mẫu đất Δz được ghi lại cùng
E
(1 n) z(1 n)
(6)
với n là độ rỗng của mẫu đất.
Bảng 3. Bảng kết quả tính tốc độ xói của mẫu đất
Tốc độ xói
mẫu 1
Tốc độ xói
mẫu 2
Tốc độ xói
mẫu 3
Tốc độ xói
mẫu 4
Tốc độ xói
Lưu
lượng
Q
mẫu 5
(k = 0,98)
E
Ứng suất
τ
Vận tốc tại
MC V-V
(k = 0,9)
E
(k = 0,93)
E
(k = 0,95)
E
(k = 0,97)
E
(l/s)
6,02
(m/s)
4,00
4,79
5,40
5,72
6,19
(N/m2)
6,712
(cm/s)
0,0027
0,0058
0,0083
0,0104
0,0112
(cm/s)
0,0017
0,0048
0,0070
0,0087
0,0103
(cm/s)
0,0012
0,0044
0,0065
0,0085
0,0095
(cm/s)
0,0010
0,0040
0,0060
0,0079
0,0094
(cm/s)
0,0007
0,0034
0,0054
0,0071
0,0089
10,45
15,75
19,73
26,35
8,537
9,808
10,421
11,382
3.4. Xử lý kết quả thí nghiệm
Theo công thức tính tốc độ xói (1) và từ kết
quả thực nghiệm, xác định được giá trị của ứng
suất cắt tới hạn τc chính là điểm giao của các
đường thực nghiệm với trục hoành, khi đó tốc
độ xói E có giá trị bằng không. Với 5 mẫu đất
có hệ số đầm chặt khác nhau, giá trị τc cũng thay
đổi và tăng dần theo mức độ đầm chặt của đất.
Hằng số xói α chính là gradien của đường trung
bình thực nghiệm, từ bảng kết quả nhận thấy với
cùng một loại đất α có giá trị gần như không
đổi, có thể lấy giá trị gần đúng α = 0,0019 cho
loại đất sét thí nghiệm.
Hình 4. Biểu đồ quan hệ giữa tốc độ xói
của đất (E) và ứng suất (τ)
Bảng 4. Giá trị của ứng suất cắt tới hạn τc và hằng số xói α
0,9 0,93 0,95 0,97
5,37 5,74 6,17 6,28
0,0019 0,0019 0,0018 0,0018
Hệ số đầm K
τc (N/m2)
α
0,98
6,33
0,0018
Với mỗi loại đất, cần xác định các hằng số xói
4. KẾT LUẬN
Hiện tượng xói trên bề mặt đập dưới tác dụng trong công thức tính tốc độ xói bằng thực
của dòng chảy là nguyên nhân chủ yếu của quá nghiệm, để từ đó có thể đánh giá an toàn đập khi
trình phát triển vỡ đập. Tốc độ xói của đất là bị tràn nước trên đỉnh.
một hàm tổng hợp của nhiều yếu tố như độ đầm
Bài báo thể hiện kết quả thí nghiệm cho
chặt, dung trọng, góc ma sát, lực dính, chiều sâu loại đất có hàm lượng sét cao, xác định được
dòng chảy, ứng suất cắt sinh ra do dòng chảy... vận tốc xói của đất với các giá trị vận tốc
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
57
dòng chảy. Xây dựng được các đường thực hằng số xói (bảng 4) phục vụ cho việc tính tốc
nghiệm biểu diễn vận tốc xói của loại đất thí độ xói của đất cho các mẫu có hệ số đầm chặt
nghiệm (hình 4). Từ đó xác định được các thay đổi.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Kazunori Fujisawa, Akira Kobayashi, Kiyohito Yamamoto, (2008), Erosion rates of compacted
soils for embankments.
G.J. hanson, K.R. Cook, S.L. Hunt, Physical Modeling of overtopping erosion and breach
formation of cohesive embankments.
Phạm Ngọc Quý, (2008), Tràn sự cố trong đầu mối hồ chứa nước, Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội.
Nguyễn Cảnh Cầm và nnk, (1978), Giáo trình Thủy Lực tập 2, Nhà xuất bản Đại học và trung học
chuyên nghiệp.
Đất xây dựng - Lấy mẫu, bao gói, vận chuyển và bảo quản mẫu, TCVN 2683:2012.
Đất xây dựng – phương pháp xác định khối lượng riêng trong phòng thí nghiệm, TCVN 4195:2012.
Đất xây dựng – phương pháp xác định độ ẩm và độ hút ẩm trong phòng thí nghiệm, TCVN
4196:2012.
Đất xây dựng – Phương pháp xác định giới hạn dẻo và giới hạn chảy trong phòng thí nghiệm,
TCVN 4197:2012.
Đất xây dựng – Phương pháp xác định độ chặt tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm, TCVN
4201:2012.
Đất xây dựng. Phương pháp xác định khối lượng thể tích trong phòng thí nghiệm, TCVN
4202:2012.
Abstract:
EXPERIMENT FOR DETERMINATION OF SOIL EROSION RATE UNDER
THE EFFECT OF OVERFLOW
Erosion on the surface of the dam under the effect of the flow is the primary cause of the
development of dam break. Study of soil erosion mechanism under the effect of overflow is
necessary to evaluate dam safety when overtopping dam . Previous researches have established the
formula for calculating soil erosion rate. However, it is necessary to do experiment to determine the
erosion coefficients in the formula in each different types of land. This paper presents the content of
an experiment to determine soil erosion rate on hydraulic glass trough, and using this result to
identify the erosion coefficients of land .
Keywords: Soil erosion rate, overtopping dam. dam break.
BBT nhận bài: 25/4/2016
Phản biện xong: 26/5/2016
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 53 (6/2016)
58
5 trang
15900
Free
Bạn đang xem tài liệu "Thí nghiệm xác định tốc độ xói của đất đắp dưới tác dụng của dòng chảy trên bề mặt", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- thi_nghiem_xac_dinh_toc_do_xoi_cua_dat_dap_duoi_tac_dung_cua.pdf
