Giáo trình thủy công Tập 1 - Chương 3 ppsx

Riêng trong lĩnh vực thiết kế , mục đích tính thấm là xác định các yếu tố và thông số sau : - Xác định đường bảo hoà đối với dòng thấm không áp - để kiểm tra ổn định của mái dốc, kiểm tr

Chương 3 Thấm dưới đáy và thấm vòng quanh

công trình thuỷ lợi ò1 Khái niệm chung về thấm

1 Khái niệm

- Thấm là sự chuyển động của chất lỏng trong môi trường rổng hoặc nứt nẽ

- Môi trường thấm có thể là đồng chất hoặc không đồng chất, đẳng hướng hay không đẳng hướng

- Tuỳ theo môi trường thấm và cột nước thấm dòng thấm có hai trạng thái khác nhau đó là chảy tầng và rối

- Trong lĩnh vực công trình thuỷ, dòng thấm có thể diễn ra dưới đáy, qua thân và đi vòng quanh qua hai bờ nối tiếp với công trình thuỷ

- Dòng thấm có thể chia làm 2 loại :

Dòng thấm có áp : là dòng thấm bị giới hạn bởi các biên cứng, không có mặt thoáng (hình 3.1b)

Dòng thấm không áp : là dòng thấm có mặt thoáng, áp lực trên mặt thoáng bằng áp lực khí trời (hình 3.1a)

2 Mục đích tính toán

Nghiên cứu tính thấm không chỉ được sử dụng riêng trong khảo sát thiết kế mà cả trong giai đoạn thi công và quản lý vận hành công trình Riêng trong lĩnh vực thiết kế , mục đích tính thấm là xác định các yếu tố và thông số sau :

- Xác định đường bảo hoà đối với dòng thấm không áp - để kiểm tra ổn định của mái dốc, kiểm tra lại kích thước của vật thoát nước và bộ phận chống thấm

- Xác định cột nước và áp lực thấm tại từng điểm trong vùng thấm - để kiểm tra hiện tượng đùn đất tại chổ dòng thấm có áp lực lớn

- Xác định gradiên và lưu tốc thấm tại từng điểm trong vùng thấm - để kiểm tra hiện tượng xói ngầm nền đất và các công trình đất

- Xác định lưu lượng thấm qua toàn bộ hay từng phần công trình - để đánh giá khả năng mất nước, làm cơ sở cho việc thiết kế các bộ phận chống thấm (tường nghiêng, sân trước, lỏi giữa, bản cọc )

Hình 3.1 : a Dòng thấm không áp (thấm qua công

trình); b Dòng thấm có áp (thấm dưới đáy công trình)

b) a)

25

3.Các phương pháp nghiên cứu thấm

Để giải quyết bài toán thấm có nhiều phương pháp khác nhau, ta có thể phân ra làm

ba phương pháp chính như sau :

a Phương pháp lý luận

+ Phương pháp cơ học chất lỏng : thiết lập các phương trình vi phân biểu thị mối

liên hệ giữa các đặc trưng của dòng thấm (lưu lương, cột nước, lưu tốc và gra điên thấm) – giải các phương trình này để tìm các đặc trưng của dòng thấm tại một điểm bất kỳ trong miền thấm Lời giải theo phương pháp này là chính xác nhưng phức tạp nên chỉ giải được các sơ đồ đơn giản Để khắc phục nhựoc điểm này, ngày nay với

sự phát triển của mạnh mẽ của phương pháp tính và máy tính điện tử, ta có thể giải chúng bằng các phương pháp số đó là phương pháp sai phân và phương pháp phần

tử hữu hạn ( phương pháp phần tử hữu hạn là ưu điểm hơn đối với bài toán thấm vì

nó phù hợp với các biên phức tạp với các sơ đồ thực tế)

+ Phương pháp Thuỷ lực học : đưa ra một số giả thiết để đơn giản hoá các

phương trình, lập mối liên hệ giữa các đặc trưng thuỷ lực và xác định chúng cho những sơ đồ thấm phức tạp trong thực tế Phương pháp này thiếu chính xác nhưng sai số là chấp nhận được trong tính toán thiết kế công trình thuỷ, do đó được ứng dụng rộng rải trong thiết kế

b Phương pháp đồ giải

Dựa vào các tính chất của đường dòng và đường thế, vẽ được lưới thấm bằng tay, dựa vào lưới thấm để xác định các đặc trưng thuỷ lực của dòng thấm Phương pháp này đơn giản nhưng kém chính xác vì lưới thấm phụ thuộc vào chủ quan của người

vẽ

c Phương pháp thí nghiệm và thực nghiệm

Thông qua các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm kết hợp với quan trắc thực tế để xác định các đặc trưng thuỷ lực của dòng thấm Phương pháp thí nghiệm và thực nghiệm cho kết quả khá phù hợp với thực tế nhưng đòi hỏi các phương tiện thiết bị thí nghiệm và đo đạc, đòi hỏi kinh phí và thời gian để thí nghiệm, quan trắc

- Thí nghiệm bằng công trình đất đặt trong máng kính - đơn giản nhưng kém chính xác

- Thí nghiệm bằng khe hẹp : dùng dầu có độ nhớt khác nhau chuyển động trong khe hẹp thay thế cho chuyển động của chất lỏng trong môi trường xốp Phương pháp này rất có hiệu quả khi giải bài toán thấm phẳng không ổn định

- Thí nghiệm EGDA : dựa vào tính tương tự của dòng điện trong môi trường dẫn

điện và dòng thấm trong môi trường thấm để chế tạo thiết bị thí nghiệm tương tự

điện – thuỷ động lực Phương pháp này khá chính xác và giải được các sơ đồ phức tạp

3 Lý luận chung về thấm

a Các giả thiết ban đầu

- Môi trường thấm mà dòng thấm đi qua là đồng nhất và đẳng hướng Bản chất của giả thiết này là : hệ số thấm k bằng hằng số theo các hướng cho mọi điểm của miền thấm

- Chất lỏng chứa đầy trong các khe rỗng trong môi trường thấm và không nén được

để viết đựơc phương trình liên tục

- Chuyển động của dòng thấm là ổn định và tuân theo định luật Đac xi

v = k.J Trong đó : v vận tốc dòng thấm m/s

k hệ số thấm m/s

J građien thấm (độ giảm cột nước trên đơn vị chiều dài)

Trên cơ sở đó viết được hệ phương trình vi phân cho bài toán thấm phẳng 2 chiều, tìm được phương trình họ các đường dòng và các đường thế (xem lại thuỷ lực)

b Hệ số thấm trung bình

Trong thực tế thường gặp dòng thấm đi qua nhiều lớp đất có hệ số thấm khác nhau

Để đơn giản trong tính toán có thể thay thế bằng một lớp đất duy nhất với hệ số thấm trung bình

- Khi dòng thấm chảy dọc theo các lớp đất (hình 3.2a)

Do građien dòng thấm trong các lớp đất là như nhau nên ta có :

q= k1J1.t1 + k2J2.t2 + = J( k1t1 + k2t2 + ) = J.ΣkitiTính theo hệ số thấm trung bình :

q = ktbJ Σtivậy : J.Σkiti = ktbJ Σti ⇒ ktb = Σkiti

ΣtiTrong đó : ti là chiều dày của lớp đất có hệ số thấm tương ứng là ki

- Khi dòng thấm chảy thẳng góc với các lớp đất (hình 3.2b)

Do lưu lượng thấm qua tất cảc các lớp đất là không đổi nên ta có :

k3 k2 k1

k1 k2

Hình 3.2

Các đại lương được ký hiệu trên hình vẽ

- Môi trường thấm có hệ số thấm không đẳng hướng

Giả thiết trường hợp đất nền có hệ số thấm ngang kn = kmax lớn hơn hệ số thấm theo phương đứng kđ = kmin Ta tiến hành biến nó thành đồng nhất đẳng hướng và giải bài toán thấm xác định được các đặc trưng của dòng thấm tương ứng là q*, Jr*, Jv*,… Sau

đó biến đổi để xác định các đặc trưng của dòng thấm phù hợp với sơ đồ thực là q, Jr,

Jv,…

Theo Đakhơle, tiến hành giải như sau :

27

+ Ta giãn mọi thành phần thẳng đứng của đất nền theo tỷ số a nhưng vẫn đảm bảo lưu lượng thấm không đổi Sau khi làm phép giãn đó, độ dốc thuỷ lực theo phương thẳng

đứng giảm đi a lần Để chỉnh lý lại ta tăng hệ số thấm đứng lên a lần thành

kđ’=a.kđ=a.kmin

+ Theo phương thẳng đứng phép giãn đó đã tăng mặt cắt ướt lên a lần, muốn đảm bảo lưu lượng thấm theo phương ngang không đổi, ta giảm hệ số thấm theo phương ngang xuống a lần thành kn’= k a =n kmaxa

+ Vì phép biến đổi trở thành đồng nhất đẳng hướng, nên ta có :

ktb = kd’=kn’ hay a.kmin=kmaxa ⇒ a= kmax

đoạn không bằng nhau

- Góc gãy khúc của đường dòng khi qua ranh giới hai lớp đất khác nhau

k 1

2 k

tgα =

k1

k2 (*)

Vậy góc gãy khúc của đường dòng khi vượt qua ranh giới giữa hai lớp đất có hệ số thấm khác nhau được xác định bởi (*)

ò2 Thấm qua nền mềm dưới công trình thuỷ lợi

I Đường viền thấm của công trình

Giả sử có một công trình thuỷ lợi xây dựng trên nền mềm như hình vẽ :

Hình 3.4 : Đường viền thấm dưới đáy công trình

Đường tiếp xúc giữa tất cả các bộ phận công trình với đất nền (ABCDEFGH XY) gọi là đường viền dưới đất thực của công trình

Một phần của đường viền nói trên, chỉ giới hạn ở phía dưới của bộ phận không thấm hoặc ít thấm nước của công trình tiếp xúc trực tiếp với nền (ABCDEFGHIK) được gọi

là đường viền thấm Tầng đất nằm giữa đường viền thấm và mặt tầng không thấm gọi

Các bản cọc hoặc màn chống thấm theo phương thẳng đứng

Thấm dưới CTTL là dòng thấm có áp Hình dạng và kích thước của đường viền thấm

có ảnh hưởng lớn đến lưu lượng, vận tốc, áp lực và građiên của dòng thấm

II Tính các đặc trưng dòng thấm

1 Phương pháp hệ số cản của Trugaev (PP cơ học chất lỏng gần đúng)

- Nội dung của phương pháp :

Xem dòng thấm dưới công trình thuỷ lợi như sự chuyển động của chất lỏng trong ống có áp bao gồm tổn thất cục bộ và tổn thất chiều dài

Khi tính toán trước hết phải đưa ra sơ đồ tính, nó được lấy từ sơ đồ thực nhưng loại

bỏ các chi tiết của đường viền mà ta có thể khẳng định trước mà chúng không có ảnh

29

hưởng đến kết quả tính toán Ví dụ thay chân khay bêtông mỏng bằng các hàng cừ chống thấm có chiều dài tương ứng, các chân khay nhỏ nói chung có thể loại bỏ… Thay các vùng thấm không đồng nhất của nền bằng môi trường đồng nhất đẳng hướng được đặc trưng bởi một hệ số thấm nhất định

Hình 3.5 : Sơ đồ tính thấm theo hệ

số sức kháng của Trugaep

Đường viền thấm được phân thành ba bộ phận :

1 Bộ phận cửa vào và cửa ra : gồm các bản cọc thượng lưu 1-m-n-2 và các bản cọc hạ lưu 5-m1-n1-6 Nếu không có cừ thì ở đó có các bậc a(1-m) hay a3(n1-6)

k: hệ số thấm

ξi : hệ số tổn thất cột nước trên đoạn thứ i (được gọi là hệ số sức kháng)

Nó phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của bộ phận đường viền

đang xét, nó đặc trưng cho hiệu quả tiêu hao cột nước thấm, hê số sức kháng càng lớn thf mức độ tiêu hao cột nước càng cao

Bản chất của công thức có thể giải thích như sau :

Từ công thức : q = k.J i ωi = k.(h i /l i ).ωi

->h i = q k ωl i i = ξi q k với ξi = ωl i i

Như vậy hệ số sức kháng ξi trên một đoạn nào đó được tính bằng tỷ số giữa chiều dài

đường dòng li với diện tích mặt cắt ướt ωi của dòng thấm trên đoạn đó

- Xác định các hệ số cản ξi

Theo sơ đồ và sự phân chia đường viền ta có :

Σξi = ξvào + ξngang + ξgiữa + ξ’ngang + ξra

a Đối với bộ phận cọc giữa

- Trường hợp bộ phận cọc giữa có một bậc và một hàng cọc giữa (3-4) thoả mãn điều kiện :

0,5< TT2

1 <1,0 0≤ ST1

1 - 0.75TS1

2

= ξbậc + ξcừ

- Trường hợp:

0,5 ≤ TT2

1 ≤ 1,0 0,8 ≤ TS1

2 ≤ 0,96 Thì :

ξgiữa = Ta1

1 + 12(TS1

2 -0,8) + 2,2 Các đại lượng như ký hiệu trên hình vẽ

Ghi chú :

- Ba số hạng trên lần lượt đặc trưng cho hệ số cản trên ba đoạn : bậc (3-δ), mặt trước bản cọc (δ-δ1) và mặt sau của bản cọc (δ1-4)

Khi không có bản cọc giữa thì cho S1 = 0

Khi không có bậc thụt thì cho a1=0 và T1=T2 = T

b Đối với bộ phận cửa vào và cửa ra

31

Khi bộ phận cửa vào giống hệt cửa ra thì ξv =ξr

Nếu cửa vào, cữa ra không có bậc và không có bản cọc thì (hình 3.6a) thì :

ξv =ξr = 0,44

Hình 3.6 : Đoạn đường viền dưới đất ở cửa vào hoặc cửa ra

Nếu cửa vào, cửa ra có bậc mà không có bản cọc thì (hình 3.6b) thì :

ξv =ξr =0,44 + Ta

0 Nếu cửa vào, cửa ra có cả bậc và bản cọc thì (hình 3.6c) thì :

1 - 0.75TS

1

c Đối với bộ phận nằm ngang

- Khi chiều dài đoạn đường viền nằm ngang l2 giữa hai bản cọc S1 và S2 thoả mãn điều kiện : l2 > 0,5(S1 + S2) thì :

Bảng 3.1 : chiếu sâu T hđộng

Thđộng 0.5lo 2.5lo 0,8.So+0,5lo So + 0,3lo

- Vị trí tầng không thấm tính toán khi vẽ biểu đồ áp lực đẩy ngược, xác định cột nước

ở mũi cừ ra và xác định Jk để kiểm tra độ bền thấm ngẫu nhiên (bất thường) của nền thì

Ttt = Thđộng

- Vị trí tầng không thấm tính toán khi xác định gradien thấm ra lớn nhất ở mặt đáy hạ lưu thì :

Ttt = 2.Thđộng

- Vị trí tầng không thấm tính toán khi xác định lưu lượng thấm trong nền đập thì :

Ttt = Tthực , lưu ý là trong trường hợp tầng không thấm nằm sâu thì lấy Ttt

như vậy sẽ cho sai số khá lớn

(Các trị số T tt và T thực luôn luôn lấy theo đường thẳng đứng tính từ mặt tầng không thấm nước đến điểm cằm cao nhất của đường viền)

Sau khi xác định Ttt : nếu Ttt>Tthực thì dùng Tthực để tính

nếu Ttt<Tthực thì dùng Ttt để tính

- Xác định áp lực đẩy ngược tác dụng lên đáy công trình

+ áp lực đẩy ngược tác dụng lên đáy công trình gồm áp lực thấm và áp lực đẩy nổi áp lực đẩy nổi có trị số bằng cột nước H2 (H2= MNHL-∇đáy)

+ Để xác định áp lực thấm trước hết phải xác định trị số hệ số sức kháng đối với các

bộ phận của đường viền ứng với Ttt (theo qui định trên), sau đó xác định trị số tổn thất cột nước qua mỗi bộ phận của đường viền theo nguyên tắc :

Trường hợp chỗ ra ở đáy hạ lưu bị hạ thấp (hình 3.7c)thì :

Jra=(0.075d

0 + 2.75l' ).h Với l’ ≥ 10d0

7 8

9 10 11

12

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

phương pháp này với công trình nhỏ và sơ bộ xác định kích thước đối với công trình vừa hoặc lớn

- Phương pháp Blai chỉ thích hợp đối với công trình đáy phẳng, không có cừ, tầng thấm dày hữu hạn, lớp thấm càng mỏng thì độ chính xác càng cao Đối với các trường hợp khác phương pháp này có sai số lớn từ 20%ữ40% cá biệt có khi đến 80%

b Phương pháp Len

Len đã cải tiến phương pháp của Blai, Len cho rằng trên đoạn đường viền thẳng

đứng, cột nước bị tiêu hao lớn hơn so với đoạn nằm ngang Do đó xác định được chiều dài đường viền tính toán là :

Ltt =Lđ + Lm n

Lđ : tổng chiều dài các đoạn đường viền thẳng đứng và có góc nghiêng ≥45o

Ln tổng chiều dài các đoạn đường viền nămg ngang và có góc nghiêng<45o

m : hệ số hiệu quả tiêu hao cột nước trên đoạn thẳng đứng so với đoạn ngang Khi có một hàng bản cọc : m=1-1,5

Nhận xét : Mặc dù Len đã chỉnh lý cải tiến phương pháp Blai nhưng sai số vẫn lớn

3.Phương pháp vẽ lưới thấm

Trước hết dựa vào sơ đồ công trình và các tính chất của lưới thấm để vẽ lưới thấm bằng tay, sau đó căn cứ vào lưới thấm đã vẽ để xác định các đặc trưng cần thiết của dòng thấm

a Cơ sở để vẽ lưới thấm

Các đường thế và các đường dòng phải trực giao với nhau Các mắt lưới phải là các hình vuông cong (tức là các góc phải vuông và các trung đoạn phải dài bằng nhau) Tiếp tuyến với đường thế vẽ từ các điểm góc của đường viền phải trùng với phân giác của các góc đó

Lưới thấm được vẽ xuất phát từ các điều kiện biên sau đây :

35

+ Đường viền thấm của công trình là đường dòng đầu tiên

+ Đường mặt tầng không thấm là đường dòng cuối cùng

+ Đường mặt đất ở thượng lưu và hạ lưu là hai đường thế đầu tiên và cuối cùng Giả sử lưới thấm vẽ được có n dãi ngang và m dãi dọc Lý thuyết biến đổi bảo giác đã chứng minh được rằng : với một sơ đồ đường viền cho trước chỉ có thể vẽ được một lưới thấm duy nhất có tỷ số m/n là không đổi Tỷ số m/n gọi là môđun của lưới thấm

S L

Hình 3.9 Sơ đồ tính thấm cho phương pháp vẽ lưới thấm bằng tay

Ghi chú :

Khi tầng không thấm nằm rất sâu (T>L, với L là chiều dài đáy phẳng hoặc T >1,5L

đối với đáy có cừ) vùng thấm tính toán chỉ lấy trong chiều sâu giới hạn Ttt:

- Với bản đáy phẳng T=(1-1,25)L, đường dòng cuối cùng có dạng Elip

- Nếu có bản cọc : đường dòng cuối cùng có dạng đường tròn đi qua điểm cách mép bộ phận không thấm (0,8-1)L và từ mép bản cừ xuống độ sâu (1-1,5)S

(L là chiều dài đường viền, S là chiều dài bản cọc)

- Phương pháp vẽ lưới thấm đơn giản và cho phép xác định được đầy đủ các đặc trưng dòng thấm tại các điểm trong vùng thấm

- Để vẽ lưới thấm chính xác có thể dùng phương pháp tương tự điện – Thuỷ động lực học

ò3 Biến dạng thấm dưới nền công trình và biện pháp

10 >10ữ20 và hệ số thấm của đất xói ngầm nằm trong phạm vi kt > 0,02ữ0,025cm/s

- Tác hại của xói ngầm :

Nếu hiện tượng xói ngầm phát triển mạnh, lưu lượng thấm tăng lên, hình thành kẽ rỗng lớn, gây lún không đều làm cho công trình mất ổn định

- Hai dạng phá hoại của xói ngầm

+ Độ bền thấm cục bộ của đất nền bị phá hoại trong hàng loạt các vị trí yếu nhất đã biết trước của mặt cắt dọc của nền đang xem xét với các điều kiện tính toán đã biết trước ở chỗ này Ví dụ : ở chỗ tiếp xúc của đáy hạ lưu và lọc ngược phủ lên nó; ở chỗ tiếp xúc với biên cứng hoặc với lớp đất có kích thước hạt khác

+ Độ bền thấm ngẫu nhiên (bất thường) của đất nền có thể bị phá hoại tại các điểm của mặt cắt dọc mà ta không biết trước Các nguyên nhân có thể là : thi công không

đảm bảo chất lượng; lún không đều của đập mà ta không dự kiến được; xói ngầm bên trong do không nắm được tính chất không đồng nhất của đất nền; lún của đất dưới đập trong phạm vi các bộ phận nằm ngang của đường viền dưới đất trong khi bản thân đập không bị lún

- Biện pháp ngăn ngừa :

+ Thiết kế đường viền thấm đủ dài sao cho J<[J] để đảm bảo độ bền thấm ngẫu nhiên

37