Bài giảng thi công công trình thuỷ lợi THI CÔNG ĐẤT BẰNG MÁY THUỶ LỰC

Phương pháp thi công đất bằng máy thuỷ lực là phương pháp thi công cơ giới hoá tổng hợp, dùng sức nước để đào, vận chuyển và đắp đất; Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi để đắp đập, đào kênh mương, đào hố móng, ngăn dòng lấp sông, khai thác cát sỏi

CHƯƠNH 9 ĐẮP ĐẬP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỔ ĐẤT TRONG NƯỚC

(Đọc giáo trình)

CHƯƠNG 10 THI CÔNG ĐẤT BẰNG MÁY THUỶ LỰC

10.1 Mở đầu

Phương pháp thi công đất bằng máy thuỷ lực là phương pháp thi công cơ giới hoá tổng hợp, dùng sức nước để đào, vận chuyển và đắp đất;

Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi để đắp đập, đào kênh mương, đào hố móng, ngăn dòng lấp sông, khai thác cát sỏi;

10.1.1 Ưu điểm:

- Mức độ cơ giới hoá cao, không bị ảnh hưởng bởi thời tiết;

- Vận chuyển bằng đường ống áp lực, mương máng tự chảy Đường ống có thể xa tới 10km;

- Giá thành rẻ, chỉ bằng 60÷70% so với thi công đất đầm nén;

- Chất lượng công trình cao, lún ít, cỡ hạt đất được phân phối theo yêu cầu của mặt cắt công trình;

10.1.2 Nhược điểm:

- Không thi công được đối với loại đất có tính dính lớn hoặc có lẫn nhiều

đá to;

- Sử dụng lượng nước lớn;

- Tiêu thụ năng lượng điện (3,5÷5)KWh cho 1m3 đất đắp

10.2 Công tác đào đất

Có 2 phương pháp đào đất trong nước là đào đất bằng súng phun nước hoặc đào đất bằng tàu hút

10.2.1 Đào đất bằng súng phun nước

10.2.1.1 Nguyên lý

Dùng nước phun ra từ vòi phun có vận tốc lớn xói đất tạo thành vữa bùn, vữa bùn chảy theo rãnh máng tới hố tập trung và từ đó được bơm đi theo hệ thống đường ống tới nơi đắp Cột nước áp lực khi phun khoảng 20÷150m, có thể tới 30atm;

Cấu tạo dòng tia sau khi ra khỏi vòi phun gồm 3 đoạn: Đoạn đầu, đoạn giữa

và đoạn cuối:

Đoạn đầu (còn gọi là đoạn lõi): dòng tia đi ra không trộn khí;

Đoạn giữa: dòng tia bắt đầu có hiện tượng trộn khí;

Đoạn cuối: dòng tia trộn khí hoàn toàn;

Đoạn 1 Đoạn 2 Đoạn 3

Hình 10.1 Cấu tạo tia nước ra khỏi vòi phun

A

B

B

C

C

A - A

Khi bắn vào đất thường sử dụng đoạn giữa cho hiệu quả cao và an toàn cho mỏy và người điều khiển;

Đoạn đầu hiệu quả cao nhưng quỏ gần khối đào, đất sụt nguy hiểm cho người và thiết bị;

Việc đào đất phụ thuộc rất nhiều vào tớnh chất và cấp phối của cỏc loại hạt đất

10.2.1.2 Cỏc thiết bị chủ yếu của sỳng phun nước

Mỏy bơm nước kiểu ly tõm + ống dẫn nước + vũi phun (sỳng phun)

10.2.1.3 Tổ chức thi cụng đất bằng sỳng bắn nước

* Cỏc phương phỏp đào đất:

- Đào từ dưới lờn: Dựng

sỳng phun vào chõn tầng làm

cho đất phớa trờn sụt xuống và

phun tiếp tạo vữa bựn;

+ Ưu điểm: Năng suất

cao, chủ yếu dựng đối với đất

dớnh, lượng tiờu hao nước

khụng lớn;

+ Khuyết điểm: Dũng tia

đi ngược hướng dũng bựn làm

giảm vận tốc dũng bựn Mỏy

và người làm việc bị lầy lội

- Đào từ trờn xuống:

Dựng sỳng phun từ trờn đỉnh

tầng xuống theo từng lớp;

+ Ưu điểm: Dũng phun

cựng chiều với dũng bựn, nõng cao được vận tốc dũng bựn, mỏy và người làm việc khụng bị lầy lội;

Hình 10.4 Phương pháp đào từ dưới lên

Hình 10.5 Phương pháp đào từ trên xuống

+ Khuyết điểm: Lượng hao nước lớn, chỉ thích hợp với đất không dính và

chiều cao tầng đào (2÷3)m

- Đào liên hợp:

+ Dùng mìn phá tơi đất sau đó mới dùng súng phun thuỷ lực;

+ Dùng hệ thống lỗ khoan ở tầng đào và bơm nước vào để đất bão hoà nước, làm cho đất dễ sụt lở trước khi dùng súng phun;

+ Dùng máy đào hoặc máy ủi vun đống, sau đó mới dùng súng phun

10.2.1.4 Chọn thiết bị đào đất

* Chọn súng phun nước:

Cần phải xác định: Lưu tốc ở miệng súng phun, lưu lượng, tổn thất cột

nước ở đầu súng, số lượng súng và năng suất đào;

- Lưu tốc ở miệng súng: V0 = ϕ 2gH0 ( )m s ;

- Lưu lượng qua miệng súng: Q0 = α ⋅ ω ⋅V0 = α ⋅ ω ⋅ ϕ 2gH0 (m3 s);

Với: ϕ- Hệ số lưu tốc, α- Hệ số co hẹp ở miệng súng (m); H0- Cột nước trước miệng súng (m); ω- Diện tích miệng súng (m2) (Đối với súng có miệng hình nón cụt: ϕ=0,945, α=1);

- Tổn thất cột nước ở thân súng và đầu súng: h 1′= K⋅Q 0 2 (m); h′2=

g

V

2

2 0

⋅

Với: h1 ′, h′

2- Tổn thất cột nước ở thân súng và đầu súng (m);

K- Hệ số tổn thất xác định bằng thực nghiệm;

ξ- Hệ số tổn thất ở miệng ống 0,06;

g- Gia tốc trong trường g=9,81 m/s2; Đối với từng loại đất thì yêu cầu áp lực nước tại mũi súng H0 khác nhau nên V0, Q0, h′

1, h′

2 cũng khác nhau;

- Số lượng súng phun nước xác định như sau:

0 0

Q

Q C

n = ⋅

Trong đó:

C- Hệ số dự trữ C=2;

Q- Tổng lưu lượng nước dùng (m3/h);

Q0- Lưu lượng của súng (m3/h);

B

K t T

q V Q

⋅

⋅

⋅

= (m 3 /h)

Với:

V- Thể tích đất phải đào (m3);

q- Lượng tiêu hao nước đơn vị (m3 nước/m3 đất);

T- Số ngày phải thi công theo kế hoạch (ngày);

t- Số giờ làm việc mỗi ngày (giờ);

KB- Hệ số sử dụng thời gian 0,7÷0,85;

- Năng suất của sỳng nước: N Q q0

0 = (m3/h)

* Chọn mỏy bơm nước phục vụ sỳng phun nước:

Muốn chọn đỳng mỏy bơm ta cần biết lưu lượng Q và cột nước H cần bơm Ngoài ra cũn phải xỏc định chiều cao hỳt nước phụ thuộc vào cao độ đặt bơm và cao độ nguồn nước;

H=h1+ h2 +h3 +h4 +h5 +h6+H0

Trong đú:

h1- Chờnh lệch cao độ trục bơm và miếng sỳng phun (m);

h2- Chờnh lệch cao độ trục bơm và mặt nước hỳt (m);

h3- Tổn thất đường ống (m);

h4- Tổn thất cục bộ (cú thể lấy 5ữ10% h3);

h5- Tổn thất khi hỳt vào ống 1ữ1,5m;

h6- Tổn thất qua thõn và miệng sỳng (m);

H0- Cột nước yờu cầu tại miệng sỳng (m);

- Số lượng mỏy bơm:

b b

Q

Q

n =

Với nb và Qb- Là số mỏy bơm và lưu lượng của một mỏy bơm

10.2.1.5 Bố trớ đào đất

* Nội dung bao gồm: Xỏc định kớch thước đường đào, trỡnh tự đào và cỏch bố trớ

đường đào;

Lmax Lmin Bước tiến của súng nước Bước tiến của súng nước

α

Lmax-Lmin

Hình 10.9a Sơ đồ đường đào kiểu từ dưới lên

Vị trí đường vào 1 Vị trí đường vào 2 Vị trí đường vào 3

Lmax-Lmin

* Xỏc định kớch thước đường đào:

- Cự ly lớn nhất từ miệng sỳng tới vỏch tường đào: 4

0 max d α

Trong đú:

Lmax- Độ dài lớn nhất của tia nước (m);

d0- Đường kớnh miệng sỳng (mm);

α- Gúc nghiờng của sỳng so với mặt nằm ngang (độ);

- Cự ly nhỏ nhất từ miệng sỳng tới vỏch đường đào: Lmin = α0⋅H(m);

Trong đú:

α0- Hệ số phụ thuộc tinh chất đất: sột α0=1, đất thịt α0=1,2;

H- Độ cao vỏch đường đào;

Trị số α0 trờn phự hợp khi H<5m, khi H>5m thỡ α0 tăng lờn;

- Bước di chuyển của sỳng là: L=Lmax −Lmin

- Bề rộng của đường đào là:

2 sin

2Lmax β

B= ; β- gúc xoay của sỳng β=800;

- Thể tớch đào sau một bước di chuyển của sỳng phun nước là:











 −

⋅

⋅

=

− +

⋅

⋅

=

2 2

)

H L B S H H L B V

* Trỡnh tự và việc bố trớ đào đất bằng sỳng phun nước:

Thụng thường đào từ chỗ thấp đến chỗ cao Cú 2 phương phỏp đào là đào sẵn đường đào tiờn phong và đào độc lập;

4

1

4

4

1

2

Hình 10.9b Sơ đồ trình tự đào đất bằng súng thuỷ lực

1 ống dẫn nước áp lực; 2 Rãnh dẫn bùn; 3 Súng bắn nước; 4 Bơm vữa bùn

I' II' III' IV' V' VI'

2

I II III

V VI IV

3 3 3 3 3 3

3 3

3 3

3

- Đào tiờn phong:

+ Ưu điểm: Cú thể tập trung được dũng bựn, giảm bớt được độ dốc i và

lượng đào sút, hạ thấp được lượng hao nước đơn vị, tăng nhanh được tốc độ đào;

+ Khuyết điểm: Khi đào rónh tiờn phong phải kộo dài đường ống dẫn và

đường bựn tự chảy;

- Đào độc lập:

+ Ưu điểm: Độ dài đường ống nước ngắn, đào độc lập;

+ Khuyết điểm: Đường đào sút nhiều, dũng bựn phõn tỏn.

10.2.1.6 Biện phỏp giảm lượng đào sút

Bằng cỏch thay đổi vị trớ hố tập trung để bơm bựn, kộo dài đường ống bơm bựn Nhưng thay đổi quỏ nhiều sẽ mất nhiều thời gian chuyển thiết bị bơm, khụng kinh tế Thường khoảng cỏch giữa 2 vị trớ bơm là 50ữ70m

Hình 10.10a Biện pháp giảm lượng đào sót

10.2.2 Đào đất bằng tàu hỳt bựn

10.2.2.1 Nguyờn lý

Dựng hệ thống dao băm đất ở đầu ống hỳt của mỏy bơm bựn ở trong nước

10.2.2.2 Phương thức đào đất của tàu hỳt

Cú 3 phương phỏp: Đào theo rónh dọc, đào kiểu dao động và đào hố hỡnh

nún:

* Phương phỏp đào rónh:

Tàu hỳt đi dọc theo khối đào và đào lần lượt từng rónh theo bề rộng và chiều sõu thiết kế;

Ưu điểm: Thiết bị đơn giản, tàu hỳt tiến về phớa trước thuận lợi;

Khuyết điểm: Chỉ đào được khối đào dưới nước;

Phương phỏp này được sử dụng rộng rói để nạo vột kờnh rạch, bể lắng cỏt, cỏc bói bồi trờn sụng;

* Phương phỏp đào dao động:

Dựng thiết bị như cọc và dõy cỏp để di chuyển tàu hỳt dao động quanh cọc, đào đất theo hướng ngang;

* Đào theo kiểu hố hỡnh nún:

Dựng hệ thống cỏp và tời định vị cho mỏy đào từng hố hỡnh nún liờn tiếp Phương phỏp này rất hiệu quả khi đào cỏt sỏi

10.2.2.3 Tổ chức thi cụng tàu hỳt

Dựng tàu hỳt đào đất dưới nước thỡ phải chia khối đào thành từng dải Kớch thước khối đào cần phải tớnh đến sụt lở của đất ở mỏi đào sau khi đào;

b 1

B

b

Hình 10.4a Chia mặt cắt khối đào thành các dải đào

B Tàu hút bùn

1

1 b mh m h b h m m

- Số dải đào là:

B

b

n= 1 ; Với B là độ rộng của dải đào đất khi đào kiểu dao

động phụ thuộc vào tớnh năng của mỏy;

- Chiều dày

lớp đào sút do

dao băm ra

khụng hỳt hết,

theo kinh nghiệm

z

h = 0 , 2 , với Hz

là tổng chiều cao

đường đào (cả

phần trờn và dưới

mặt nước);

Ngoài chiều

dày đào sút ra, khi đào dao băm gõy nờn lớp tơi xốp phớa dưới lớp đào sút là hP; Khi thiết kế đào múng, cần xột đến cỏc lớp này để chừa lại tầng bảo vệ hố múng sẽ đào sau này khi bơm cạn múng Chiều dày lớp bảo vệ phụ thuộc vào lưu lượng của tàu hỳt;

- Cường độ vữa bựn cần hỳt được xỏc định (m3/h):

c t m B

q n W

⋅

⋅

⋅

+

−

Trong đú:

W- Khối lượng đất đào (m3);

n- Độ rỗng của đất đào;

q- Lượng hao nước đơn vị dựng để đào và vận chuyển 1m3 đất phụ thuộc vào loại đất;

B- Số giờ làm việc trong mỗi ca;

m- Số ca làm việc trong 1 ngày đờm;

t- Số ngày làm việc trong thỏng;

Hình 10.14b Sơ hoạ lớp đất sót và lớp đất bị tơi xốp

c- Số tháng làm việc;

- Số tàu hút được tính:

B t

vb

K Q

Q n

⋅

=

Trong đó:

Qt- Năng suất vữa bùn của tàu;

KB- Hệ số sử dụng thời gian 0,60÷0,85;

10.3 Vận chuyển vữa bùn

10.3.1 Khái niệm

H×nh 10.15 C¸c tr¹ng th¸i v÷a bïn khi vËn chuyÓn trong èng

a Khi l­u tèc nhá; b Khi tiÕp cËn víi l­u tèc tíi h¹n;

c Khi l­u tèc lín h¬n l­u tèc tíi h¹n

Khi vận chuyển vữa bùn, nước vận động về phía trước gây ra lực xói nâng hạt đất nổi lên và di chuyển ngang;

- Lưu tốc nhỏ đất chìm xuống và dịch chuyển nhảy cóc không liên tục (1);

- Khi lưu tốc tăng lên làm hạt nhỏ nổi lên, hạt do dịch chuyển nhảy cóc gián đoạn(2);

- Khi tăng lưu tốc lên nữa, các hạt đất luôn lơ lửng, nồng độ phân bố đều trên toàn mặt cắt(3);

Trạng thái chuyển từ trạng thái thứ 2 sang 3 gọi là trạng thái tới hạn Lưu tốc là Vth Vth phụ thuộc vào bán kính thuỷ lực, độ thô thuỷ lực, hệ số ma sát trong vận chuyển có áp và nồng độ của vữa bùn;

Độ thô thuỷ lực trung bình ωtb (m/s) là tốc độ chìm lắng của hạt đất trong môi trường nước vô hạn, phụ thuộc vào độ nhớt hay nhiệt độ và đường kính dtb

của hạt đất;

Độ đục:

B

T

K = , Với T- Trọng lượng của đất; B- Trọng lượng của nước;

Nồng độ của vữa bùn: K′=T T+B

10.3.2 Vận chuyển vữa bùn tự chảy

Vận chuyển vữa bùn tự chảy trong máng gỗ, máng thép, kênh đất;

Đầu tiên phải xác định lưu tốc tới hạn và lưu tốc vận chuyển đáng tin cậy;







 −

−

=

o

vb h o

o vb th

Fr B V

γ

γ

γ γ

γ γ

Trong đó:

B=3,85 đối với cát sỏi, B=2,86 đối với đất khối tảng;

γvb, γo, γh- Tỷ trọng vữa bùn, nước, đất;

d g

Fr

⋅

= ω2

Với: ω- Độ thô thuỷ lực của đất;

- Lưu tốc vận chuyển đang tin cậy: V tc =(1 , 1 ÷ 1 , 3)V th

- Độ dốc tới hạn ith và độ dốc tin cậy itc được xác định:

vb

o

2

⋅

⋅ γ γ λ′= + m⋅ +n⋅ o −q

vb o

vb

γ ω γ

γ λ

Với m, n, q- Những đại lượng không đổi phụ thuộc chế độ vận chuyển thuỷ lực; R- Bán kính thuỷ lực;

Độ dốc máng và lượng hao nước đơn vị phụ thuộc loại đất

10.3.3 Vận chuyển vữa bùn có áp

Khi vận chuyển vữa bùn có áp cần xác định tổn thất cột nước và lưu tốc tới hạn của dòng bùn sao cho thích hợp với điều kiện làm việc tốt nhất của tàu hút;

10.3.3.1 Xác định tổn thất cột nước trong ống

5 4 3 2

h

Trong đó:

h1 − Tổn thất ở đường ống hút;

h2 − Tổn thất đường ống đặt trên các phao nổi;

h3 − Tổn thất đường ống đặt trên mặt đất;

h4 − Chênh lệch địa hình giữa cao trình mặt nước với cao trình xả bùn;

h5 − Tổn thất cục bộ;

10.3.3.2 Lưu tốc tới hạn

Lưu tốc của vữa bùn trong ống dẫn phải bằng hoặc lớn hơn lưu tốc tới hạn

để đảm bảo điều kiện tổn thất động năng trong khi vận chuyển vữa bùn là nhỏ nhất;

- Theo Iuphin (Nga) khi γvb≥1,05(T/m3) thì lưu tốc tới hạn được tính nha sau:

Vth=  − h

o o

vb

gd

D

γ

γ γ

γ ω 5 ,

Trong đú:

D- Đường kớnh ống dẫn (m);

d- Đường kớnh trung bỡnh của cỏc hạt bựn cỏt (m);

ω- Độ thụ thủy lực của hạt đất (m/s);

γvb, γo; γh- Tỷ trọng vữa bựn, nước, đất;

- Độ dốc thủy lực tới hạn: ith=0,63δ 13

gD

ω

o

vb

γ

γ

δ = là tỷ trọng

tương đối của vữa bựn

10.4 Cụng tỏc bồi đắp

10.4.1 Chọn đất để bồi đắp

Khi bồi đắp, loại hạt mịn d≤0,001mm sẽ ở trạng thỏi dịch thể lõu dài, ảnh hưởng tớnh ổn định của khối đắp nờn cần phải loại bỏ (đất dớnh d≤0,001mm chiếm tới 25%, đất cỏt d≤0,001mm chiếm tới 3%) Do đú, bồi đắp đất cú hàm lượng d≤0,001mm để cú chất lượng cao là khụng kinh tế;

Giới hạn thớch hợp của hạt khụ trong phạm vi 0,05ữ200mm và hạt nhỏ 0,01ữ1mm;

Nếu cấp phối hạt khụng đảm bảo cú thể bổ sung đất cú cỏc loại hạt để cấp phối phự hợp nhưng tốn kộm;

Cú thể dựng thiết bị làm tăng nồng độ vữa bựn hoặc thiết bị thỏo bớt lượng hạt nhỏ

10.4.2 Phương phỏp bồi đắp

Cú 3 phương phỏp:

10.4.2.1 Bồi đắp từ hai phớa

Phương phỏp này sử dụng khi đất cú cấp phối khụng đều, để bồi đắp cỏc đập cú tường tõm;

Hình 10.22 Phương pháp bồi đắp: a) Bồi đắp 2 phía; b) Bồi đắp một phía

Trước khi đắp cần hoàn thành cụng tỏc chuẩn bị: cỏc thiết bị thoỏt nước ở chõn đập như đống đỏ tiờu nước và lọc ngược; thiết bị thỏo nước thi cụng như giếng đứng, ống thỏo ngang, dọc, đắp con chạch, làm cầu tạm để đặt đường ống dẫn bựn,

Quá trình bồi đắp tới đâu thì tôn cao con chạch lên tới đó Khi đắp cao tới cầu tạm thì tạm ngừng để nâng cao cầu tạm Chiều cao cầu tạm 5÷15m, khoảng cách các miệng xả vữa bùn từ 5÷10m;

Cần phải khống chế lưu tốc dòng nước trong bể lắng sao cho đủ để giữ lại những hạt tạo tường tâm và các hạt cần thải ở trạng thái lơ lửng Điều kiện đó là:

ω

h V

L <

2

Trong đó:

L- Độ dài đường đi của hạt đất trong bể tới giếng tháo;

h- Độ sâu của nước trong bể lắng 0,3÷0,6m;

V2- Lưu tốc dòng bùn trong bể <0,05÷0,1m/s;

ω- Độ thô thuỷ lực của hạt đất lớn nhất cần tháo đi;

Quá trình bồi lắng, tường tâm ở trạng thái lỏng lâu sẽ gây sạt trượt, do đó cần phải tính toán kiểm tra ổn định Thường thể tích lõi <20÷25% tổng thể tích khối đắp;

Ưu điểm: Nhờ cầu tạm nên số lần lắp lại ống dẫn ít, có thể phân chia vữa

bùn trong phạm vi lớn;

Nhược điểm: Làm cầu tạm tốn kém;

Phương pháp bồi đắp từ hai phía cũng có thể không dùng cầu tạm mà chỉ dùng cần trục bánh xích đặt ống ở mái trong của con chạch Trong khi tháo lắp ống dẫn thì việc bồi đắp vẫn tiến hành song song Thường dùng loại ống tháo lắp nhanh (ống có miệng loa), phương pháp này có các ưu điểm:

- Giảm nhẹ sức lao động;

- Không phải dùng cầu tạm;

- Cơ giới hoá cao và bồi đắp liên tục, năng suất cao;

- Thân đập chất lượng cao hơn do hạ thấp mức độ kẽ hổng và đồng đều hơn phương pháp có cầu công tác

10.4.2.2 Phương pháp bồi đắp một phía

Vữa bùn được bồi đắp từ phía hạ lưu đập, con chạch được đắp ở cả hai phía thượng và hạ lưu;

Phương pháp này dùng cho đập không cao, đất hạt thô và cần tạo tường nghiêng cho đập

10.4.2.3 Phương pháp bồi đắp xen kẽ

Vữa bùn được xả phân bố đều trên toàn mặt bằng khối đắp Thích hợp cho đất hạt thô, thường dùng bồi đắp trong nước hoặc dùng để ngăn dòng lấp sông Chất lượng khối đắp khá đồng đều

10.4.3 Tổ chức thi công bồi đắp

- Khi tiến hành bồi đắp thường chia khối đắp thành nhiều đoạn công tác, mỗi đoạn do một máy hoặc một nhóm máy bơm bùn bồi đắp Chiều dài mỗi đoạn phụ thuộc vào kích thước khối đắp và năng suất của bơm bùn

Lđ=

t

h b

Q

.

Trong đó:

Lđ- Chiều dài đoạn thi công;

Q- Năng suất bơm bùn (m3/ngđ);

b- Bề rộng trung bình của khối đắp;

ht- Cường độ nâng cao khối đắp ht=0,2÷0,3m/ngđ, trường hợp đất hạt thô có thể ht=0,5m/ngđ;

Khi đắp đập có tường tâm phải bố trí hệ thống giếng và ống tháo hạt lơ lửng (d<0,005mm) Giếng đứng được lắp hệ thống phai để thay đổi chiều cao và giữ mực nước trong bể phù hơp yêu cầu kỹ thuật;

- Thiết kế giếng và ống tháo (xem giáo trình)

10.4.4 Tính toán phân bố hạt (xem giáo trình)