Tài liệu CHƯƠNG 3 : THẤM DƯỚI ĐÁY VÀ HAI BÊN CÔNG TRÌNH THỦY LỢI doc

Sự hình thành dòng thấm- Đất nền và hai bên công trình thường là loại thâm nước.. Các giới hạn của miền thấm hình 3-1: - Giới hạn trên: là đường viền thấm đường viền dưới đất ABCDEF: Sâ

GVC ThS Phạm Quang Thiền

I Sự hình thành dòng thấm

- Đất nền và hai bên công trình thường là loại thâm nước

- Khi có H thì có dòng thấm: dòng nước qua các kẽ rỗng giữa các hạt

- Bất lợi do dòng thấm gây ra

II Vấn đề nghiên cứu dòng thấm:

- Nhiệm vụ nghiên cứu dòng thấm:

 Tìm ra luật chuyển động của dòng thấm

I Những vấn đề chung

1 Các giới hạn của miền thấm (hình 3-1):

- Giới hạn trên: là đường viền thấm (đường

viền dưới đất)

ABCDEF: Sâu trước GHIKLM: Đáy công trình MN: Sân tiêu năng

f g h

O' o

2 Các giả thiết cơ bản:

- Với dòng thấm có áp cần thêm 2 giả thiết:

 Trong miền thấm không có điểm tiếp nước và điểm rút nước

 Bài toán thấm phẳng

II Tính thấm bằng phương pháp giải tích

1 Phương pháp cơ học chất lỏng:

- Cho lời giải chính xác, do viện sĩ N.N.Pavlopxki khởi xướng

- Phương trình vi phân cơ bản (theo giả thiết trên):

b b T

y

-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

O

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

=0,5

b T

=0 hoÆc

b

H h

b x

Hình 3-2: Sơ đồ áp lực thấm tác dụng lên bản đáy

đặt ngay trên mặt nền

+ Bản đáy công trình cắm vào nền một đoạn t, bản đáy không cừ, nền

thấm vô hạn hay hữu hạn (Hình 3-4)

H 9 10 8

10H7

10H6

tb

t b

b

b x

t

-0,6 -0,8 -1,0 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,4

1,0

0,7

0,9 0,8

0,6 0,5

0,1

0,3 0,2

Hình 3-4: Sơ đồ áp lực thấm tác dụng lên bản đáy

Phẳng chôn xuống nền một độ sâu t

Hình 3-3: Lưới thấm trong trường hợp nền thấm sâu

vô hạn dưới đáy không

đóng cừ

2 Phương pháp cơ học chất lỏng

gần đúng:

- Khi đường viền thấm phức tạp:

Pavlopski dùng phương pháp phân

+ Xác định rõ phần nước vào, nước

thoát ra và phần không có vào ra

(Hình 3-5)

h

To So

a S T

a S

t

T

a S

1 2

2 2

2

3 3

2

0

Hình 3-5: Sơ đồ phân miền thấm theo phương pháp hệ số sức kháng

+ Chia miền thấm ra thành từng bộ phận, gianh giới giữa 2 bộ phận là đường thế.









b) Bộ phận cửa vào hoặc cửa ra:

 Trường hợp chung nhất theo (2-10 ): v,r = 0,44 + b + c, (2-10)

 Nếu không có bậc thì  b = o; nếu không có cừ thì  c = o

 Cửa vào, cửa ra có dùng công thức tính nhưng trị số là khác nhau

Nếu To > Ttt thì dùng là To Nếu T o > T tt thì dùng là T o để xác định giới hạn dưới của vùng thấm mạnh

+ J r lớn nhất tíng theo (2-13):

i 1

r

1 T

H J

 = 1,1 khi dùng T tt , còn lại lấy  = 1,0

(Chú ý T 1 là chiều dày tầng thấm ở cửa ra, lấy là T 3 )

3 Phương pháp tỷ lệ đường thẳng:

a) Lịch sử phương pháp:

+ Đây là phương pháp ra đời sớm.

+ Do Blai (1910) đề xướng dựa trên tài liệu quan trắc thực tế:

- Dọc theo đường dòng đầu tiên, J không đổi và không phụ thuộc vào hình dạng của đường viền thấm.

- Tốc độ trung bình của dòng thấm: V = KJ

- Cột nước thấm tại 1 điểm là hx = x (x: tính từ hạ lưu)

+ Sau đó Len (1934) đã quan trắc chi tiết hơn và thấy mức độ tiêu hao cột nước thấm ở một đơn vị đường viền thấm theo phương đứng gấp m lần theo phương ngang và đưa ra phương pháp Len.

+ Hiện nay, vẫn dùng phương pháp trong những trường hợp sau:

- Với công trình nhỏ, tầng thấm nhỏ, đường viền thấm đơn giản.

- Với công trình lớn dùng trong tính toán sơ bộ.

- Với nền đá cho kết quả tương đối chính xác.

L H

b) Nội dung phương pháp Len:

- Chiều dài tính toán theo (3-15): (3-15)

Với m hệ số tuỳ thuộc vào số hàng cừ:

III Tính thấm bằng phương pháp sử dụng lưới thấm

1 Khái niệm lưới thấm:

Trong môi trường đồng nhất, đẳng hưởng

- Lưới thấm là hai h o đường cong trực giao: Họ đường dòng và họ đường thế (hình 2-7)

- Đường dòng: Biểu diễn quỹ đạo của cùng cột nước thấm.

- Đường thế: Tập hợp các điểm có cùng cột nước thấm

- Họ đường dòng gặp họ đường thế tạo thành những hình chữ nhật cong có

L/S = const; khi là hình vuông cong có L/S = 1

* Ở những góc, các đường có tiếp tuyến là phân giác

- Có: đường đầu tiên: là đường viền thấm dưới đáy

đường dòng cuối cùng: là tầng không thấm

đường thế đầu tiên: là đáy thấm nước thượng lưu

đường thế cuối cùng: là đáy thấm nước hạ lưu

2 Các phương pháp xây dựng lưới thấm

a) Phương pháp giải tích: - Lập phương trình đường cong, đường thế

- Áp dụng với miền thấm đơn giản

b) Phương pháp thí nghiệm tương tự điện (EGĐA)

c) Phương pháp thí nghiệm trên mô hình khe hẹp

d) Phương pháp vẽ lưới thấm bằng tay: vẽ đúng dấu

3 Sử dụng lưới thấm để xác định các đặc trưng của dòng thấm:

+ Lưới thấm có (m+1) đường dòng tạo nên m ống dòng

(n+1) đường thế tạo nên n dải thế

+ Cột nước thấm tại một điểm cách hạ lưu i dải thế tính theo (2-22):

hi i.H

n

Từ đó vẽ được biểu đồ áp lực thấm dưới đáy công trình

+ Lưu lượng thấm (bài toán phẳng):

+ Gradien thấm trung bỡnh trong một ụ lưới tớnh theo (2-26) từ đõy cú thể tớnh được J ụ bất kỳ điểm nào và cú Jr : J H H

1 Phương phỏp sai phõn:

- Chia miền thấm thành những ụ chữ nhật bằng nhau a+b (hỡnh 2-8)

b

a

Hình 2-8: Sơ đồ l ới sai phân

- Các vi phân cấp 1, cấp 2 chuyển sang sai phân (2-27):

- Từ đây giải phương trình h = o là giải hệ phương trình tuyến tính để có h

phương pháp đơn giản, ít dùng

2 Phương pháp phần tử hữu hạn:

- Miền thấm được chia thành các phần tử tam giác có kích thước và hình dạng khác nhau

- Với bài toán phẳng, ổn định, cột nước, h (x,y) được xác định khi biết giá trị

h tại 3 đỉnh của tam giác

p e 1

E(h) E ( 2-29)

Trong đó p là số phân tử được chia trong miền

Ec theo (2-30 ):

2 2

I Nền thấm gồm các lớp đồng nhất với hệ số thấm khác nhau

1.Hệ số thấm trung bình:

a) Dòng thấm chảy dọc theo các lớp (hình 2-10)

t t t

1 2 3

- Với điều kiện :

 Dòng thấm trong các lớp có J như nhau

 Lưu lượng thấm bằng tổng lưu lượng thấm qua mỗi lớp

- q tính theo (a) và (b): q = J.kiti; (a)

q = kTB.J.T = J.kTB.ti (b)

- T? ?ó ktb theo (2-32): TB i i

i

k t k

t



 , (2-32)

b) Dòng thấm chảy thẳng góc với các lớp (hình 2-11)

- Với điều kiện:

 q qua mỗi lớp như nhau

- Từ cỏc điều kiện cú (c) và (d) và tỡm ra k' tb theo (2-33):

TB

i i

L

k '

l k

- Dựng để vẽ lưới và giải bài

toỏn thấm qua nền đất gồm nhiều



cos sin 

Hình 2-12: Dòng thấm khi v ợt qua ranh giới giữa 2 lớp đất

II Trong môi trường dị hướng

- Khi khối đất gồm nhiều lớp mỏng song song sẽ có thấm dị hướng

theo phương đứng kđ = kmim

- Đaklơle giải theo hướng: biến đổi tương đương về thấm đẳng hướng, kết quả giải chuyển về bài toán thấm dị hướng theo các bước:

K’đ = akđ = akmim

a

k a

lại:  Lưu lượng theo (2-37)

I Khái niệm chung

1 Mục đích phòng chống thấm: Có khi một hoặc hài hoà các mục đích

 Tăng L thì q, Jr đều giảm

 Tăng Lthượng thì wt giảm

 Tăng Lhạ thì wt tăng

- Chiều dài sâu trước LS = (35)H hoặc theo Ughintrut (2-40)

- Chiều dày sâu trước:

cp

H t

tc  1,0 (m)

- Chú ý nối tiếp sân với bản đáy và có lớp bảo vệ mặt chống xói và nứt (bằng

đá lát, đá xây, tấm BT, rải sỏi)

a) Bố trí cừ:

- Cắm vào tầng không thấm, xuyên qua tầng đất mỏng thấm mạnh

- Nền không dính, tầng thấm dày: Làm sân trước và đóng cừ thượng lưu (S2)

- Nền cát nhỏ: đóng thêm cừ đầu sâu trước (S1) hoặc cừ hạ lưu (S3) để giảm Jr

- Chiều sâu đóng cừ tối thiểu 2,5  3,0 (m)

- Độ sâu cừ chính 2 = ( 0,6  1,0)H ; S1 < S2- Khoảng cách giữa 2 cừ

L > (S1 + S2)

- Liên kết cừ chính với công trình như hình (3-15)

b) Cấu tạo:

- Cừ thép (Hình 2- 16):

22 6,1

28,1

16 6,1

H×nh 2-16: CÊu t¹o c¸c lo¹i cõ thÐp

 Chống thấm tốt, bền, đóng sâu tới 25m (nếu hàn nối tới 40m)

 Dạng phẳng, chữ U, chữ 

 Chi phí lớn

I Các biến hình thấm thông thường

 Có trường hợp xói ngầm xảy rồi ngừng lại vì tạo tầng lọc tự nhiên

 Điều kiện phát sinh xói ngầm: Phức tạp; chỉ kiểm tra đơn giản

Theo kết quả nghiên cứu của Istômina xói ngầm sinh ra khi

Jr > Jgh = f ( = d68/d10)

để an toàn: Jr > [J] = Jgh/m

Jgh, [J] xác định theo đồ thị hình (2-19)

b) Xử lý chống xói ngầm cơ học:

* Làm tầm lọc ngược ở nơi dòng thấm thoát ra ở hạ lưu:

- Tầng lọc ngược gồm 23 lớp, có đường kính tăng dần theo chiều thấm (Hình 2-20)

Lç tho¸t n íc

§¸ d¨m - 20cm C¸t th« - 20cm

- Nguyên tắc thiết kế tầng lọc ngược:

+ Các hạt trong mỗi lớp không di động

+ Các hạt đất được bảo vệ không lọt vào tầng lọc ngược

+ Các hạt của lớp này không chui vào kẽ hở của lớp kia

+ Thoát nước (tầng lọc không bị tắc)

D d

  - hệ số chuyển tiếp cỡ hạt;

D50 - đ k bình quân của lớp hạt lớn;

d50 - đ k bình quân của lớp hạt nhỏ;

60 10

D H

D

 - hệ số không đều của lớp hạt lớn;

60 10

d d

b) Biện phỏp phũng chống đẩy trồi đất (hỡnh 2-22):

- Cỏc biện phỏp giảm J r

- Chọn chiều sõu chõn khay s,

chiều dàng tầng gia trọng t (với  p ) thỏa

7H

n 6Hn

5H n

4H n

3H n

2H n

H n 0.0

Hình 2-22: Sơ đồ tính toán đẩy trồi

đất ở hạ l u công trình

4 Đùn đất tiếp xúc:

- Đối với nền đất dính, khi tầng gia trọng là hạt lớn xác định t theo (2-50) thì không có đầy trồi cả mảng, nhưng có thể bong từng phần đất tại khe hở Đó là đùn đất tiếp xúc (Hình 2-23):



D

2

4 3

0

0

20

5 10 15

II Các biến hình thấm đặc biệt

- Trong nền, có thể có khe nứt, khuyết tật khi đó có các hàng thấm tập trung, làm J tăng, gây phá hoại

- Dùng J trung bình cho toàn miền thấm để kiểm tra (Hình 2- 51)

I Đặc điểm của thấm qua nền đá

- Lỗ rỗng qua khối đá là nhỏ, hệ số thấm nhỏ vì vậy bỏ qua thấm qua lỗ rỗng

- Thấm trong nền đá chủ yếu là thấm qua khe nứt

- Khe nứt hình thành do nhiều nguyên nhân: Kiến tạo, đoạn tầng, phong hóa, đào móng

- Nứt không theo quy luật

- Thấm không theo định luật Đắc xi

II Áp lực thấm

- Tính sơ lược theo phương pháp tỷ lệ đường thẳng

- wđn = wtt + wth (hình 3-24) với =0,3 0,7 hệ số cột nước thấm còn lạisau màng chống thấm (Hình 3-25)

a

®Ëp träng lùc cã thiÕt bÞ chèng thÊm vµ tho¸t n íc 1- § êng hÇm; 2- èng tho¸t n íc; 3- GiÕng tho¸t

n íc; 4- Lç khoan phôt xi m¨ng; 5- Mµn chèng thÊm

- Tùy theo chiều cao đập, có bố trí thiết bị chống thấm và thoát nước, từ đó có

- Khi không có màng chống thấm, nhưng có thiết bị thoát nước đặt cách mép

Wth = 0,5H(l + 1''b); (2-56)

III Lưu thượng thấm: Đơn giảm tính như bài toán thấm có áp

IV Hiện tượng xói ngầm trong nền đá:

- Chủ yếu là xói ngầm hóa học: hòa tan và đưa đi

I Khái niệm

- Khi công trình nối với bờ

đất hoặc công trình thấm nước thì

còn có dòng thấm vòng quanh bờ

(Hình 2-28)

- Nếu không xử lý tốt dễ gây

sạt mái, sinh lầy

II Giải bài toán thấm quanh bờ, vai đập

1 Phương pháp chung:

- Là bài toán thấm 3 chiều không áp

- Về nguyên tắc: giải phương trình (2-58):

ngay trong trường hợp đơn giản nhất khối lượng tính toán nhiều (dùng Seep- 3D)

- Khi tầng không thấm nằm ngang, có thể giải gồm đúng bằng cách đưa về bài toán phẳng có áp:

Th«ng sè ThÊm ph¼ng cã ¸p ThÊm vßng quanh bê Sè hiÖu

r 2 2

1 2

h h h

2) Thấm sau lưng tường bên:

- Các dạng như hình (2-29)

H×nh 2-29: C¸c h×nh thøc t êng bªn nèi tiÕp ®Ëp trµn víi bê

- Về lưới thấm, tính các đặc trưng q r h r rồi ra h,q

- Những kết luận về thấm có áp đều có áp dụng cho bài toán thấm quanh vai đập:

 Tường cánh TL tiêu hao lớn cột nước thấm, nên cắm sâu vào bờ

 Tường cánh HL tuy làm tăng w t nhưng giảm nhiều J r

- Để hạ đường bão hòa, cần có thiết bị thoát nước ở lưng tường hoặc ở hạ lưu

- Nếu đường viền như nhau, thì W t ở thấm quanh bờ lớn hơn ở thấm có áp tương

ứng Vì vậy nếu không xử lý tốt, thấm sẽ từ bờ vào đáy Sơ bộ chọn L b theo (2-63):

L b = C b H (2-63) với C p = (0,670,75) C; C ở có áp

3) Liên kết giữa đập không tràn nước với bờ:

 Cắm sâu thân đập vào bờ

Hình 2-31: Dòng thấm 2 bên vai đập đất: a Cắt dọc tuyến đập; b Mặt bằng đập

- Giải gần đỳng bằng phương phỏp vẽ lưới

- Khắc phục lầy, đường bóo hoà cao cần làm thoỏt nước