Giáo trình thủy công Tập 1 - 2 potx

Biến hình thấm của đất nền vμ biện pháp phòng, chống Dòng thấm dưới nền công trình, trong những điều kiện nhất định có thể gây ra những biến hình thấm bất lợi cho công trình mμ trong thi

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

T - chiều dμy của tầng thấm;

Lo - chiều dμi hình chiếu bằng của đường viền thấm

Hình 2-15 trình bμy các sơ đồ cơ bản liên kết cừ chính với công trình Sơ đồ

2-15a lμ kém hơn cả vì dễ tạo thμnh 1 khe thấm nước Sơ đồ 2-15c được sử dụng trong

Hình 2-15: Các sơ đồ liên kết giữa cừ chính với công trình

b) Cấu tạo: Cừ có thể lμm bằng gỗ, thép hoặc bêtông cốt thép Tuy nhiên, loại cừ gỗ

ngμy nay ít được sử dụng do giá thμnh cao vμ kém bền

- Cừ thép: Cừ thép có ưu điểm nổi bật lμ chống thấm tốt, bền, có thể dùng cho

mọi loại nền không phải đá, nền có lẫn cuội, sỏi Loại cừ nμy có khả năng liên kết

giữa các bản tốt, chịu được áp lực cao Các khớp cừ rất khoẻ vμ đủ lớn, tăng được độ

cứng của cừ nhưng vẫn cho phép ván cừ quay được một góc độ nhất định quanh khớp

nối (hình 2-16)

Độ sâu đóng cừ có thể đạt 25m; khi dùng biện pháp hμn nối cừ thì có thể đóng sâu

tới 40m Ván cừ có các loại: phẳng, chữ U, chữ Z (hình 2-16a, b, c)

Cừ thép có nhược điểm lμ giá thμnh cao nên chỉ được sử dụng cho những công trình

quan trọng

22 6,1

28,1

16 6,1

dùng loại có mộng hình tam giác, hình thang, (hình 2-17) hoặc dạng khớp theo kiểu cừ

thép Tuỳ theo công dụng vμ điều kiện chịu lực của cừ mμ lựa chọn kích thước của cừ

cho phù hợp Thường bề dμy bêtông cốt thép từ 10 ữ 50cm; bề rộng 50 ữ 60cm

b)

c)

Hình 2-17: Cấu tạo và kích thước một số bản cừ bằng bêtông cốt thép

3 Chân khay

Chân khay được đúc liền với bản đáy công trình, bấm sâu vμo nền để tăng ổn định

cho công trình Về mặt chống thấm, chân khay có tác dụng như một cừ ngắn

Chân khay thường bố trí ở 2 đầu bản đáy Chiều sâu 2 chân khay thường lμ bằng

nhau, nhưng khi cần tăng ổn định chống trượt cho công trình thì có thể lμm chân khay

thượng lưu sâu hơn để tạo mặt trượt nghiêng về phía thượng lưu (hình 2-18b)

Hình 2-18: Các hình thức bố trí chân khay

Đ2.5 Biến hình thấm của đất nền vμ biện pháp phòng, chống

Dòng thấm dưới nền công trình, trong những điều kiện nhất định có thể gây ra

những biến hình thấm bất lợi cho công trình mμ trong thiết kế cần phải xem xét để tìm

ra biện pháp phòng chống thích hợp

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

I Các biến hình thấm thông thường

Đây lμ những loại biến hình thấm thường xảy ra vμ có thể kiểm tra được bằng tính

toán trên cơ sở các quy luật thông thường của vật lý, cơ học

1 Xói ngầm cơ học

a) Hiện tượng: Trong nền đất không dính hoặc ít dính, khi lưu tốc thấm vượt quá

một giới hạn nμo đó thì xảy ra hiện tượng các hạt nhỏ bị đẩy lọt qua các kẽ hở giữa các

hạt lớn Khi đó, độ rỗng trong đất nền tăng lên, lưu tốc thấm tăng lên vμ có khả năng

cuốn theo các hạt đất lớn hơn Đó lμ hiện tượng xói ngầm cơ học Khi hiện tượng nμy

tiếp tục phát triển thì sẽ lμm tăng nhanh lưu lượng thấm vμ lμm tăng độ rỗng của đất nền,

sinh ra lún không đều vμ dẫn đến lμm mất ổn định của công trình

Có trường hợp dòng thấm chỉ lμm xói một lượng nhất định các hạt đất nhỏ, lμm tăng

lưu lượng thấm nhưng chưa phá vỡ khung kết cấu của đất vμ chưa gây mất ổn định

công trình

Trong quá trình xói ngầm cũng có trường hợp các khe hở giữa những hạt đất lớn bị

các hạt đất không trôi qua được bịt lại, kẽ hở nhỏ đi, dần dần hiện tượng xói ngầm chấm

dứt Khi đó trong đất nền hình thμnh một tầng lọc tự nhiên, có các hạt đất phân bố từ

nhỏ đến lớn theo chiều dòng thấm Đây gọi lμ hiện tượng đọng ngầm

Các điều kiện phát sinh hoặc chấm dứt xói ngầm cơ học rất phức tạp vμ phụ thuộc

nhiều yếu tố (kết cấu của đất, thμnh phần hạt, sự sắp xếp ngẫu nhiên của các hạt ) Đã

có nhiều phương pháp gần đúng xác định lưu tốc thấm giới hạn sinh xói ngầm, như các

công thức của Xtốc, Tim, Đơgiattin Tuy nhiên, do tính phức tạp của hiện tượng nμy,

cách tiếp cận hợp lý nhất lμ sử dụng các kết quả nghiên cứu thực nghiệm V.S.Ixtômina

(Nga) đã tiến hμnh hμng loạt sêri thí nghiệm vμ đi đến nhận định rằng đối với đất không

dính thì gradien thấm giới hạn xói ngầm cơ học chủ yếu phụ thuộc vμo hệ số không đều

hạt của đất η = d60/d10, trong đó d60 vμ d10 lμ đường kính các mắt sμng cho lọt 60% vμ

10% trọng lượng mẫu đất thí nghiệm Trên hình 2-19, đường cong liền nét biểu diễn

quan hệ Jgh ~ η, còn đường nét đứt thể hiện trị số gradien xói ngầm cho phép:

gh cp

JJm

Trong đó: m - hệ số an toμn

b) Xử lý chống xói ngầm cơ học Vùng nguy hiểm về xói ngầm lμ chỗ dòng thấm

thoát ra hạ lưu Để chống xói ngầm cơ học, cần phải lμm thiết bị thoát nước dạng tầng

lọc ngược

Tầng lọc ngược được tạo thμnh từ một số lớp vật liệu không dính (cát, cuội sỏi, dăm)

có đường kính hạt tăng dần theo chiều dòng thấm Khi thiết kế tầng lọc ngược phải đảm

bảo các nguyên tắc sau:

- Các hạt trong mỗi lớp không được di động

- Các hạt đất được bảo vệ không lọt vμo tầng lọc ngược Trường hợp đặc biệt có

thể cho phép các hạt đất rất nhỏ qua tầng lọc ngược, nhưng đất không sinh ra biến

Hình 2-20: Bố trí các lớp lọc ngược ở cửa ra của dòng thấm

Hiện nay, trong xây dựng thuỷ lợi đang sử dụng các phương pháp khác nhau để

chọn tầng lọc ngược Một số phương pháp thông dụng như sau:

- Tính theo QPTL C5-75 (dịch từ Quy phạm của Liên Xô) Việc tính theo Quy phạm

nμy thường gặp khó khăn do phải tính thử dần nhiều lần, khó áp dụng trong thực tế

- Tính theo tiêu chuẩn của các nước phát triển Các tiêu chuẩn nμy thường đơn giản,

dễ áp dụng Nguyên tắc thiết kế tầng lọc ngược được đảm bảo bởi các điều kiện sau:

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

1 Đất được bảo vệ không bị cuốn trôi vμo lớp lọc, hoặc vật liệu lớp hạt nhỏ không

bị cuốn trôi vμo kẽ hở lớp hạt lớn:

15 85

D5

2 Đảm bảo khả năng thoát nước thấm:

15 15

D5

Ngoμi ra, cần khống chế hμm lượng những hạt mịn của vật liệu lμm lọc có đường

kính nhỏ hơn hoặc bằng 0,074mm không được vượt quá 5% theo trọng lượng

3 Vật liệu lớp lọc có cấp phối hợp lý, đảm bảo không bị phân tầng, tách lớp khi vận

chuyển, vμ khả năng nén chặt tốt:

4 Chỉ cần thiết kế lọc 1 lớp nếu D85 lớn hơn 2 lần đường kính lớn nhất của lỗ thoát

nước ở tấm bêtông hoặc kẽ hở lớn nhất giữa các viên đá lát

Trong các công thức trên, chữ D chỉ đường kính hạt của lớp hạt lớn; chữ d chỉ đường

kính hạt của lớp hạt nhỏ liền kề (khi tính cho lớp đầu tiên của tầng lọc thì d lμ đường

kính hạt của đất được bảo vệ); các chỉ số 15, 50, 85 tương ứng lμ số phần trăm của trọng

lượng mẫu bị lọt xuống dưới mắt sμng đang xét

Về chiều dμy của lớp lọc, nếu tính theo lý thuyết thì thường rất nhỏ Vì vậy trong

thiết kế quy định chiều dμy tối thiểu theo hình thức vμ điều kiện thi công Ví dụ, với lớp

lọc nằm ngang, t ≥ 15 ữ 30cm; lọc kiểu ống khói t ≥ 40cm; vùng chuyển tiếp giữa các

khối đất đắp: t ≥ 1 ữ 1,5m

2 Xói tiếp xúc

Khi dòng thấm chảy song song với mặt phân cách các lớp vật liệu hạt rời, nếu cấp

phối hạt của các lớp không hợp lý vμ gradien thấm đủ lớn thì sẽ xảy ra hiện tượng các

hạt của lớp nhỏ bị cuốn trôi vμo kẽ hở của lớp hạt lớn vμ bị trôi theo dòng thấm Hiện

tượng nμy gọi lμ xói tiếp xúc

D50 - đường kính bình quân của lớp hạt lớn;

d50 - đường kính bình quân của lớp hạt nhỏ;

Hệ số chuyển tiếp giữa 2 lớp thường chọn ξ ≤ 3 ữ 10

3 Đẩy trồi đất (đùn đất do thấm)

a) Hiện tượng: Đẩy trồi đất xảy ra ở nền đất dính, tại vùng cửa ra của dòng thấm,

khi áp lực đẩy ngược của dòng thấm vượt quá lực giữ khối đất (trọng lượng bản thân, lực

dính vμ ma sát với các khối xung quanh)

Xét một khối đất trong miền thấm có kích thước theo mỗi chiều bằng đơn vị áp lực

thuỷ động lên khối đất nμy lμ Wth = γJ, trong đó γ - trọng lượng riêng của nước;

J - gradien thấm trung bình của khối tính toán

Tại vùng cửa ra của dòng thấm (hình

2-22), lực Wth có hướng từ dưới lên trên, ngược

chiều với trọng lượng bản thân đất Trường

hợp khối đất ngâm trong nước, trọng lượng của

nó lμ: G = γđn x 1, trong đó γđn - trọng lượng

riêng của đất ở trạng thái đẩy nổi, γđn = γ2

-γ(1 - n); ở đây γ2- trọng lượng riêng của đất

khô; n - độ rỗng của đất nền

Nếu bỏ qua lực ma sát vμ lực dính, khối

đất sẽ ở trạng thái cân bằng giới hạn khi Wth=

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 lưu công trình

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

2 gh

J = γ ư ư(1 n)

γ (2-48) Nếu trong thực tế, tại vùng cửa ra của dòng thấm có Jra > Jgh thì khối đất sẽ bị đẩy

trồi từ dưới lên trên, lμm cho công trình bị mất ổn định (nghiêng, lật, trượt )

b) Biện pháp phòng chống đẩy trồi đất

Để phòng chống đẩy trồi đất, ngoμi các biện pháp kéo dμi đường viền thấm để giảm

Jra như đã nêu ở Đ2.4, còn có thể trực tiếp lμm tầng gia trọng ở khu vực cửa ra

Xét trường hợp phổ biến khi công trình có chân khay cắm vμo nền như ở hình 2-22

Điều kiện cân bằng giới hạn của cột đất có chiều cao lμ S, bề rộng đáy bằng 1 đối với

bμi toán phẳng như sau:

γhc x 1 = γđn.S x 1 + γp.t x 1 + C x S, (2-49) Trong đó: hc - cột nước thấm ở đáy chân khay (điểm A);

t - chiều dμy lớp gia trọng;

γp- trọng lượng riêng của lớp gia trọng;

C - lực dính đơn vị

Trường hợp đất nền tại khu vực dòng thấm thoát ra có vết nứt hay một khuyết tật

nμo khác, thường lấy C = 0 Khi đó, chiều dμy t của tầng gia trọng sẽ lμ:

dn c

t≥ γ h ư γ S

4 Đùn đất tiếp xúc

Đối với nền đất dính, khi thiết kế tầng gia trọng theo công thức (2-50) sẽ đảm bảo

không sinh đẩy trồi cả mảng lớn đất ở hạ lưu Nhưng nếu tầng gia trọng cấu tạo bằng vật

liệu hòn lớn (đá lát, đá đổ ) vμ giữa các hòn có khe hở thì dòng thấm có thể đẩy bong

từng phần đất nền tại vị trí các khe hở Đó lμ hiện tượng đùn đất tiếp xúc (hình 2-23a)

δ

D

2

4 3

0

0

20

5 10 15

bằng cách đặt một lớp đệm trung gian bằng sỏi cuội hoặc dăm dạng tầng lọc ngược Nếu

đất nền có chỉ số dẻo Wn > 7 ữ 10 vμ độ bão hoμ G > 0,85 thì các số liệu đặc trưng D 50I

D của vật liệu lớp đệm thứ nhất có thể chọn theo đồ thị hình 2-23b, c, trong

đó trị số δ = 0,5; 1,0; 1,5 cm lμ độ sâu lớp bong tróc cho phép của nền đất sét

II Các biến hình thấm đặc biệt

Ngoμi các dạng biến hình thấm thông thường nói trên, trong môi trường thấm còn có

thể xẩy ra các dạng biến hình thấm đặc biệt do tồn tại các khe hở, khuyết tật trong đó Các

khe hở, khuyết tật nμy được hình thμnh do nhiều nguyên nhân khác nhau (xói ngầm, lún

không đều, vết nứt trong đất, rễ cây mục nát, động vật đμo hang ) Vị trí của khuyết tật

có thể ở bất cứ chỗ nμo trong miền thấm vμ nói chung, không thể dự kiến trước được

Khi trong nền (hay bản thân công trình đất) có tồn tại các khe hở, khuyết tật như

vậy, dưới tác dụng của cột nước thấm (cột nước chênh lệch thượng - hạ lưu công trình)

sẽ hình thμnh các hang thấm tập trung Dòng thấm sẽ đi theo con đường ngắn nhất nối

các hang thấm tập trung, khi đó chiều dμi đường thấm bị rút ngắn, gradien thấm tăng

nhanh, khả năng phá hoại của dòng thấm lμ rất lớn Dạng phá hoại nμy của dòng thấm

gọi lμ phá hoại đặc biệt, không thể dự kiến trước được vị trí, quy mô vμ mức độ hư hỏng

của nền vμ công trình

Để kiểm tra khả năng phá hoại đặc biệt của nền vμ công trình, chỉ có thể sử dụng

các đại lượng gradien thấm trung bình cho toμn miền, gọi lμ độ bền thấm đặc biệt hay độ

bền thấm chung:

JK < JKCP, (2-51) Trong đó:

JK - gradien thấm chung của nền hay công trình;

JKCP - gradien thấm chung cho phép của nền hay công trình

ý nghĩa của công thức (2-51) lμ ở chỗ khi cột nước thấm của công trình đã khống

chế, cần phải thiết kế công trình có đường viền thấm đủ dμi, để khi có hang thấm tập

trung ở một vị trí nμo đó thì phần còn lại của đường thấm vẫn đủ để chống lại các biến

hình thấm nguy hiểm Cách kiểm tra đường viền thấm theo công thức (2-16) cũng lμ

theo nguyên tắc nμy

Trị số JK đối với nền đất của công trình có thể xác định theo phương pháp do Viện

nghiên cứu Khoa học Thuỷ lợi toμn liên bang - VNIIG (Liên Xô) đề nghị:

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

H - cột nước thấm;

Ttt - chiều sâu tính toán của nền;

∑ξi - tổng hệ số sức cản tại các bộ phận của miền thấm

Đ2-6 Thấm qua nền đá dưới đáy công trình

1 Đặc điểm của thấm qua nền đá

Nền đá nói chung có độ rỗng nhỏ Đối với nền lμ đá phún xuất thì độ rỗng khoảng

0,5 ữ 0,8%; đối với đá trầm tích, độ rỗng n = 4 ữ 35%; hệ số thấm qua đá nguyên khối

khoảng 10-6 ữ 10-9 cm/s Vì vậy, có thể bỏ qua hiện tượng thấm qua lỗ rỗng trong đá

Thấm ở nền đá chủ yếu lμ qua các khe nứt Các khe nứt trong khối đá được hình thμnh

do quá trình kiến tạo, đoạn tầng, tác dụng phong hoá hay do nổ mìn khi đμo móng gây

nên v.v Chiều rộng khe nứt thường từ vμi milimét đến vμi centimet hoặc hơn nữa

Nước thấm trong các khe nứt không tuân theo định luật Dacxi vμ cho đến nay còn ít

được nghiên cứu Chỉ trong trường hợp khi khối đá nền lớn, khe nứt nhỏ vμ đều mới

có thể coi gần đúng như nền đất

2 áp lực thấm

Nước thấm qua các khe nứt trong nền đá dưới đáy công trình vμ thoát ra hạ lưu Vì

chưa biết được quy luật tiêu hao cột nước thấm nên người ta thường tính toán rất sơ lược

theo phương pháp tỷ lệ đường thẳng áp lực nước đẩy ngược W dưới đáy công trình lμ

tổng hợp của lực thuỷ tĩnh Wtt vμ lực thấm Wth Khi tính lực thấm người ta nhân thêm

một hệ số α do xét tới tác dụng giảm nhỏ áp lực thấm của mμn chắn (hình 2- 24)

Hệ số α phụ thuộc vμo mức độ xử lý nền, tính chất đá nền vμ chiều cao đập, thường

vμo khoảng 0,3 ữ 0,7

Hình 2-25. Phân bố áp lực đẩy ngược dưới đáy

đập trọng lực có thiết bị chống thấm và thoát nước.

1- Đường hầm; 2- ống thoát nước; 3- Giếng thoát nước; 4- Lỗ khoan phụt xi măng; 5- Màn chống thấm

Biện pháp phụt vữa xi măng lμm mμn chống thấm trong nền đập vμ đặt thiết bị thoát

nước dưới đáy đập có tác dụng lớn đối với việc giảm nhỏ áp lực thấm Trên hình

(2-25) thể hiện đường phân bố áp lực đẩy ngược (đường aced) dưới đáy một đập bêtông

trọng lực có mμn chống thấm vμ có bố trí các thiết bị thoát nước sau mμn chắn, dưới

γ - trọng lượng riêng của nước;

H - độ chênh cột nước thượng hạ lưu đập;

α2 - hệ số diện tích chịu áp lực nước, α2 ≤ 1,0

α1' = 0,4; α1" = 0,2

l1 - đoạn dμi từ mép móng thượng lưu đập đến mặt hạ lưu mμn chống thấm Trên

đoạn l1, cột nước thấm giảm từ H xuống α1'H;

l2 - khoảng cách từ mép hạ lưu mμn chống thấm đến vị trí đặt thiết bị thoát nước;

α0 - hệ số xét đến tổn thất đầu nước thấm qua đá nền đến mặt thượng lưu mμn

chống thấm, xác định theo thí nghiệm

Trường hợp không lμm mμn chống thấm, nhưng có thiết bị thoát nước đặt cách mép

thượng lưu đập một khoảng bằng l thì áp lực thấm được tính theo công thức:

Wth = 0,5γH(l + α1''b); (2-56) Trong đó thường lấy α1'' = 0,5

Ngoμi áp lực thấm Wth, đáy đập còn chịu tác dụng của áp lực thuỷ tĩnh đẩy ngược:

Wtt = γH2bα2; (2-57) Trong đó: H2 - độ sâu nước hạ lưu (tính đến đáy móng đập)

3 Lưu lượng thấm

Lưu lượng thấm qua nền đá có thể rất lớn, nhất lμ khi nền đá nứt nẻ nhiều Do tính

chất không đồng đều của các khe nứt ta chỉ có thể tính lưu lượng thấm qua nền đá một

cách sơ lược Ví dụ, khi nền thoả mãn những điều kiện nhất định thì có thể tính lưu

lượng thấm theo các công thức đơn giản của bμi toán thấm có áp

4 Hiện tượng xói ngầm trong nền đá

Khi trong nền đá có các nham thạch mềm dễ hoμ tan hoặc có các loại muối thì dễ

sinh hiện tượng xói ngầm hoá học do dòng thấm gây ra Trong trường hợp nμy, cần phải

xử lý bằng các biện pháp đặc biệt như: phụt vữa tạo mμn chống thấm sâu xuống tầng đá

không bị hoμ tan; lμm mμn chống thấm xiên (hình 2-27a) để bảo vệ miền A trong nền đập;

lμm sân trước, kéo dμi đường viền thấm vμ kết hợp với thiết bị thoát nước ở cuối sân trước để

loại trừ dòng thấm ở dưới đáy đập (hình 2-27b)

A

Hình 2-27: Các biện pháp phòng chống xói ngầm hoá học trong nền đá

a) Làm màn chống thấm xiên; b) Sân phủ kết hợp với thiết bị thoát nước ở cuối sân

Đ2.7 Thấm quanh bờ vμ bên vai công trình

I Khái niệm

Các công trình thuỷ lợi thường nối

tiếp với bờ đất hay một công trình thấm

nước Khi có chênh lệch cột nước

thượng hạ lưu thì ngoμi dòng thấm phát

sinh ở dưới đáy, cũng sẽ hình thμnh

dòng thấm quanh bờ hay bên vai công

trình Trên hình 2-28 cho thấy đường

bão hoμ vẽ theo tia dòng ABCDE

quanh vai một công trình không thấm

Hình 2-28: Sơ đồ thấm vòng quanh bờ

Dòng thấm vòng quanh bờ hoặc vai công trình nếu không được xử lý tốt có thể thoát

ra ở lưng chừng mái bờ hạ lưu, gây sình lầy, sạt trượt mái bờ

II Giải bài toán thấm quanh bờ, vai đập

1 Phương pháp chung

Đây lμ bμi toán thấm 3 chiều không áp (có mặt thoáng) Về nguyên tắc, vẫn dựa vμo

phương trình vi phân cơ bản của dòng thấm chảy tầng trong môi trường đồng chất, đẳng

hướng để giải quyết Phương trình đó như sau:

Việc giải phương trình (2-58), ngay cả với những điều kiện biên đơn giản nhất vẫn

đòi hỏi một khối lượng tính toán rất lớn vμ thường chỉ thực hiện được nhờ phương pháp

số vμ công cụ máy tính Hiện nay đã có các chương trình máy tính loại nμy (ví dụ phần

mềm SEEP - 3D)

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

Trong trường hợp tầng không thấm nằm ngang, có thể giải gần đúng bμi toán thấm

vòng quanh bờ bằng cách suy diễn từ bμi toán thấm phẳng có áp vμ giải bằng phương

pháp lưới thấm Trong bμi toán thấm vòng quanh bờ, lưng tường bên đóng vai trò lμ

đường viền dưới đáy công trình, còn hμm số thế ψ =

2h

2 , thay cho ψ = h của bμi toán thấm có áp

Các công thức suy diễn như sau:

Trong đó: k - hệ số thấm của đất bên vai đập; trị số qr vμ hr tìm được từ sơ đồ lưới

thấm suy diễn Ht – lsd

2 Thấm sau lưng tường bên

Các đập trμn xây trên nền không phải lμ đá thường nối tiếp với bờ bằng tường bên

dạng tường cánh gμ (hình 2-29)

Khi tính thấm, người ta suy diễn từ kết quả của phương pháp vẽ lưới thấm như đã

nêu trên Sơ đồ hình 2-29a, d lμ ứng với bản đáy có một hμng cừ; sơ đồ hình 2-29b lμ

ứng với bản đáy có 2 hμng cừ v.v

Về phương diện chống thấm thì tốt nhất lμ những tường bên có một hoặc hai tường

cánh như trên hình vẽ 2-29a, b, d, nhưng tường cánh hạ lưu phải ngắn hơn tường cánh

thượng lưu để tránh lμm tăng cột nước thấm sau lưng tường

Hình 2-29: Các hình thức tường bên nối tiếp đập tràn với bờ

Những kết luận về đường viền thấm trong bμi toán thấm có áp đều có thể áp dụng

cho bμi toán thấm quanh vai đập như:

- Tường cánh thượng lưu đóng vai trò rất quan trọng trong việc tiêu hao đầu nước

thấm, nên cần cắm đủ sâu vμo bờ

- Tường cánh hạ lưu tuy có lμm tăng thêm một ít cột nước thấm sau lưng tường bên,

nhưng lại bị giảm được gradien thấm ở cửa ra

Để giảm thấp đường bão hoμ vμ bảo vệ đất bờ, có thể bố trí thoát nước dưới dạng tầng lọc

ngược phía sau lưng tường bên vμ trên mái bờ hạ lưu như hình 2-30a

Một đặc điểm cần chú ý lμ nếu các đường viền vμ miền thấm có hình dạng vμ kích

thước giống nhau thì áp lực thấm sau lưng tường bên sẽ lớn hơn áp lực tương ứng dưới

đáy đập Điều nμy được suy từ công thức tính cột nước dẫn suất (2-60) Vì vậy nếu

không xử lý thích đáng thì nước ngầm sẽ chui từ sau lưng tường bên vμo nền đập, lμm

tăng áp lực thấm dưới đáy công trình so với các trị số đã tính theo bμi toán thấm có áp

Để giải quyết vấn đề nμy, giáo sư K.B Pôpôp kiến nghị chọn chiều dμi đường viền thấm

quanh vai đập theo công thức:

Lb = CbH (2-63) Trong đó: H - cột nước thấm;

Cb - hệ số, lấy như sau:

Cb = (0,67 ữ 0,75)C (2-64) Với C lμ hệ số, phụ thuộc loại đất, lấy theo bảng (2-2)

- Cắm sâu tường đập vμo bờ (hình 2-30a);

- Xây lát mái bờ để chống thấm (hình

4 Tính thấm quanh bờ đập đất

Với các đập đất chắn ngang sông (hình 2-31), ngoμi việc tính thấm qua thân đập vμ

nền của nó, còn phải tính đến dòng thấm vòng quanh hai bên vai đập

Bμi toán thấm vòng quanh bờ đập đất có thể giải gần đúng bằng phương pháp vẽ

lưới Ví dụ về một lưới thấm vòng quanh bờ được thể hiện trên hình 2-32

H

H

H 1

Hình 2-31: Dòng thấm 2 bên vai đập đất

a Cắt dọc tuyến đập; b Mặt bằng đập

sẽ xác định được cột nước toμn phần tại các điểm

dọc theo từng đường dòng, tức lμ dựng được

đường bão hoμ dọc theo từng đường dòng trên

mặt bằng để kiểm tra xem nước thấm có thoát ra

tại những vị trí cao trên mái bờ hạ lưu hay

không

Ví dụ trên hình 2-31 cho thấy đường bão hoμ

FN có đoạn nằm cao hơn mặt đất, tức nước thấm

thoát ra ở vị trí cao sẽ lμm lầy, ướt một phạm vi

rộng của mái bờ hạ lưu

Để khắc phục, cần lμm thiết bị thoá nước ST

để hạ thấp đường bão hoμ xuống vị trí FSN nằm

sâu dưới đất nhằm giữ ổn định chống trượt mái

bờ hạ lưu

9

8 7 6 5 4 3 2 1

b a

O

ΔZ

Hình 2-32: Lưới thấm vòng quanh bờ đập

đất từ hồ chứa xuống hạ lưu

Vị trí mép nước sát mái thượng lưu đập (điểm b, hình 2-32) có các mắt lưới rất nhỏ

nên dòng thấm có lưu tốc lớn Nếu bố trí tại đây một sân chống thấm (đá xây hoặc tấm

bêtông chít mạch) thì có thể hạ thấp được đường bão hoμ của dòng thấm quanh bờ Tuy

nhiên, cũng cần xem xét đến khả năng ổn định của bản thân sân nμy khi mực nước hồ

rút nhanh, xuất hiện dòng thấm ngược từ bờ ra hồ chứa

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

Chương 3

Tải trọng vμ tác động lên công trình thuỷ lợi

Khi thiết kế công trình thuỷ lợi để đảm bảo an toμn vμ kinh tế, cần phải xác định các

tải trọng vμ tác động lên công trình, mặt khác phải xác định đúng các trường hợp lμm

việc điển hình để chọn các tải trọng đồng thời tác dụng lên công trình đó (tổ hợp tải

trọng) Giải quyết vấn đề đó không đơn giản, đòi hỏi người thiết kế phải nắm chắc kỹ

thuật thiết kế, đồng thời phải có kinh nghiệm thực tiễn vμ nắm vững tình hình đặc điểm

của địa phương nơi xây dựng công trình

Trong chương nμy chỉ giới thiệu các tải trọng vμ tác động phổ biến nhất đối với công

trình thuỷ lợi, còn các tải trọng vμ tác động riêng đối với từng loại công trình sẽ được

tính trong các chương tương ứng

I Phân loại tải trọng

Có nhiều cách phân loại khác nhau Song, để phục vụ cho việc lập các tổ hợp tải

trọng được sử dụng trong tính toán thiết kế công trình, người ta phân loại tải trọng theo

thời gian vμ tính chất tác dụng Theo đó các tải trọng tác dụng lên công trình được phân

thμnh tải trọng thường xuyên vμ tải trọng tạm thời

1 Tải trọng thường xuyên : bao gồm trọng lượng công trình vμ các thiết bị cố định

đặt trên vμ trong công trình (cửa van, thiết bị đóng mở v.v )

2 Tải trọng tạm thời, phân ra:

a) Tải trọng tạm thời dài hạn:

- áp lực nước tác động trực tiếp lên bề mặt công trình vμ nền, áp lực thấm ứng với

mực nước lớn nhất khi xẩy ra lũ thiết kế trong điều kiện thiết bị chống thấm vμ tiêu nước

lμm việc bình thường

- Trọng lượng đất vμ áp lực bên của nó; áp lực của đất đá tác dụng lên vỏ đường hầm

- Tải trọng gây ra do kết cấu chịu ứng suất trước

- áp lực đất phát sinh do biến dạng của nền vμ kết cấu công trình, do tải trọng bên

- Tải trọng động sinh ra trong đường dẫn có áp vμ không áp khi thượng lưu có mực

nước dâng bình thường

b) Tải trọng tạm thời ngắn hạn:

- Tải trọng do tμu thuyền vμ vật trôi (neo buộc, va đập)

- Tải trọng do thiết bị nâng, bốc dỡ, vận chuyển vμ các máy móc, kết cấu khác

- áp lực nước va trong thời kỳ khai thác bình thường

c) Tải trọng tạm thời đặc biệt:

- Tải trọng do động đất hoặc nổ

- áp lực nước tương ứng khi xảy ra lũ kiểm tra

- Tải trọng do áp lực kẽ rỗng khi đất chưa cố kết hoμn toμn, ứng với mực nước lũ

kiểm tra khi thiết bị tiêu nước lμm việc bình thường, hay ứng với mực nước dâng bình

thường khi thiết bị tiêu nước bị hỏng

- áp lực nước thấm khi thiết bị chống thấm vμ tiêu nước không lμm việc bình thường

- áp lực sóng khi xảy ra gió vμ tốc độ lớn nhất thiết kế

- áp lực nước va khi đột ngột cắt toμn bộ phụ tải

- Tải trọng động sinh ra trong đường dẫn nước khi thượng lưu có mực nước lũ thiết kế

- áp lực phát sinh trong mái đất do mực nước sông, hồ bị hạ thấp đột ngột (rút nhanh)

II Tổ hợp tải trọng

Trong thiết kế, để đảm bảo cho công trình được an toμn vμ kinh tế, người ta phải tính

toán theo các tổ hợp tải trọng khác nhau

1 Tổ hợp tải trọng cơ bản: bao gồm các tải trọng vμ tác động thường xuyên, tạm

thời dμi hạn, tạm thời ngắn hạn mμ đối tượng đang thiết kế có thể phải tiếp nhận cùng

một lúc

2 Tổ hợp tải trọng đặc biệt: vẫn bao gồm các tải trọng vμ tác động đã xét trong tổ

hợp tải trọng cơ bản, nhưng một trong chúng được thay thế bằng tải trọng (hoặc tác

động) tạm thời đặc biệt Trường hợp tải trọng cơ bản có xét thêm tải trọng động đất hoặc

nổ cũng được xếp vμo loại tổ hợp đặc biệt

Trong thiết kế cần phải tính toán với nhiều tổ hợp tải trọng cơ bản vμ tổ hợp tải trọng

đặc biệt khác nhau để xác định được tổ hợp tải trọng bất lợi nhất Thường tổ hợp tải

trọng cơ bản dùng để tính toán kích thước công trình, vμ tổ hợp tải trọng đặc biệt dùng

để kiểm tra sự lμm việc an toμn của nó

Sự khác nhau của các tổ hợp tải trọng cơ bản vμ tổ hợp tải trọng đặc biệt trong tính

toán chính lμ sự áp dụng các hệ số tổ hợp tải trọng khác nhau (xem Đ4.1) Ví dụ, với tổ

hợp tải trọng cơ bản, lấy nc = 1,0; với tổ hợp tải trọng đặc biệt, lấy nc = 0,9 Ngoμi ra quy

áp lực thuỷ tĩnh được xác định theo phương pháp thường dùng trong thuỷ lực, bao

gồm hai thμnh phần nằm ngang vμ thẳng đứng Thμnh phần nằm ngang W1, W2 phân bố

có dạng hình tam giác Thμnh phần thẳng đứng W3, W4 lμ trọng lượng của khối nước tác

dụng lên bề mặt của công trình Khối nước đó lμ abc vμ a'b'c' (hình 3-1) Nếu trước

Khối lượng riêng của nước sông ρ = 1000 kg/m3, khi trong nước có nhiều bùn cát,

tuỳ theo hμm lượng bùn cát mμ khối lượng riêng có thể tăng từ 5 ữ 10%

II áp lực thuỷ động

Khi dòng chảy qua công trình gặp các bộ phận của công trình như trụ pin của đập

trμn, tường tiêu năng , sẽ tác dụng vμo công trình một lực do dòng chảy gây nên gọi lμ

áp lực thuỷ động

ở đỉnh đập trμn có cửa van với độ mở nhất định, ở các mũi phun của chân đập trμn,

ở tấm đáy tiêu năng, ở cửa vμo cống xả sâu hoặc tường bên đường ống có áp, nhất lμ ở

các đoạn cong đều có áp lực thuỷ động Khi xác định áp lực tại một điểm nμo đó của bề

mặt công trình nói trên thì áp lực nước bao gồm áp lực thuỷ tĩnh vμ thuỷ động, ngoμi ra

cần kể đến cả áp lực mạch động

Hệ số áp lực vμ mạch động trong một số trường hợp được xác định theo công thức

giải tích, công thức nửa thực nghiệm hay bằng thí nghiệm

Khi xác định sơ bộ áp lực thuỷ động theo phương dòng chảy thúc vμo các vật chắn,

F - diện tích mặt chắn chiếu lên phương vuông góc với dòng chảy;

V - lưu tốc bình quân của phần dòng chảy hướng vμo mặt chắn;

Khi có gió thổi liên tục, mặt nước hồ sẽ phát sinh sóng vμ lμm tăng thêm áp lực của

nước Các thông số của sóng như chiều cao sóng h, chu kỳ sóng τ, bước sóng λ (hình 3-2)

phụ thuộc nhiều nguyên nhân như tốc độ gió W, thời gian gió thổi liên tục t, độ sâu

của nước trong hồ H, chiều dμi đμ sóng D Chiều dμi đμ sóng D bằng khoảng cách

từ bờ đến công trình tương ứng với hướng gió (hình 3-3)