CHƯƠNG 4: ĐẬP ĐẤT

Phân loại theo điều kiện tháo nước: + Đập đất không tràn nước.. Đập đồng chất, khụng cú thiết bị thoỏt nước: - Lưới thấm như hỡnh 6-8 Hình 6-8: Sơ đồ l ới thấm của đập đồng chất trên

GVC ThS Phạm Quang Thiền

I Giới thiệu chung

- Đập đất là loại đập sử dụng vật liệu địa phương chủ yếu là đất

- Có từ trước công nguyên 2500 4700 năm, đã xây dựng đập VLĐP:

 Đập Sadd-el-Kafara (Ai cập) cao 12m, L = 108m xây vào khoảng 2778 2563 trước công nguyên

 Đập Marduka ở Irak có Hđ = 12m từ 2500 trước công nguyên

 Ở Trung Quốc từ 240 năm trước công nguyên đã xây đập cao 30m, dài 300m

 Ở Nhật Bản từ 162 năm trước công nguyên đã có đập cao 17m, dài 260m

- Được sử dụng rông rãi, mức độ ở mỗi nước có khác nhau

 Đập Anderson Ranch ở Mỹ cao 139m (xây năm 1950)

 Đập Xero Pôngxông ở Pháp cao 122m, xây năm 1961

 Đập Bariri ở Brazin xây năm 1967 cao 112m

 Ở Việt Nam: 98% là đập VLĐP (Hiện chủ yếu là đập đất) với H<50 m Đập thác Bà: H = 48 m ; L = 657m

- Ngày càng phát triển về chiều cao:

- Ưu điểm của đập đất:

1 Dùng VLĐP

2 Cấu tạo đơn giản

3 Bền - chống động đất tốt

4 Dễ quản lý, mở rộng

5 Dùng được ở mọi loại nền

6.Chất lượng thiết kế, thi công ngày càng cao

II Đặc điểm làm việc: Thường dùng làm đập chắn (không tràn).

2 Ảnh hưởng của nước thượng hạ lưu đến mái đập:

Gây sạt lở mái

Phá huỷ bảo vệ mái

3 Chịu ảnh hưởng của mưa và sự thay đổi nhiệt độ

4 Nền và thân đập đều có biến dạng, lún

5 Trong thân đập sau quá trình làm việc có ẩn họa: tổ mối, tổ chuột…

III Các bộ phận của đập đất

- Thân đập

- Thiết bị chống thấm

- Thiết bị thoát nước

- Thiết bị bảo vệ mái

IV Phân loại đập đất

1 Phân loại theo phương pháp thi công:

Hình 6-3: Các loại đập đất

+ Đập có màng phun vừa chống thấm kết hợp lõi chống thấm.

3 Phân loại theo điều kiện tháo nước:

+ Đập đất không tràn nước.

+ Đập đất tràn nước: Ít dùng, dùng với đập thấp, có kết cấu bảo vệ.

4 Phân theo tính chất của nền đập:

Đập đất trên đá.

Đập đất trên nền không phải là đá

5 Theo chiều cao đập: Đập rất cao, đập cao, đập vừa, đập thấp.

I Nguyên tắc thiết kế

1 Đập và nền ổn định.

2.Thấm có q < [q] Không xói ngầm.

3 Đủ cao và có công trình tháo lũ

4 Có thiết bị bảo vệ, chống sóng, gió, mưa, thay đổi nhiệt độ.

5 Giá thành thấp, chi phí quản lý rẻ.

6 Khả thi, tiện quản lý.

7 Tạo cảnh quan chung hài hòa, an toàn.

II Các bước thiết kế

III Kích thước mặt cắt ngang của đập

1 Cao trình đỉnh đập:

- Đập đủ cao để không tràn nước qua.

- Chọn giá trị lớn nhất theo các điều kiện: MNDBT, MNLTK, MNLKT

- Theo "Tiêu chuẩn thiết kế đập đất đầm nén"14 TCN - 157 – 2005 Cao trình chọn lớn nhất theo 3 điều kiện

Với:

St, St', St" : Chiều cao dự phòng lún.

a, a',a": Độ cao an toàn tra theo quy phạm.

Δh + hsl + a (+ St)h, hsl : Độ dềnh, chiều cao sóng leo tính với tốc độ gió lớn nhất ứng với P% :

2 Chiều rộng đỉnh đập:

- Xác định theo yêu cầu cấu taọ, giao thông quốc phòng, phương pháp thi

công Nơi nối tiếp với bờ, công trình khác phải có chiều rộng phù hợp

- Cơ đập:

Theo chiều cao, cứ 10  15m lại có cơ

Cơ đập để đi lại kiểm tra, bố trí thiết bị thoát nước, tăng ổn định

Bề rộng cơ đập từ 2  3 (m)

Có thể bố trí cả cơ đập hạ lưu và cơ đập thượng lưu

I Khái niệm cơ bản

1 Mục đích và nhiệm vụ:

+ Tính q

+ Xác định đường bão hòa

+ Tính J (J trung bình, J ra, J tiếp xúc)

- Thấm tuân theo định luật Đắcxy.

- Giải bài toán phẳng

- Thấm ổn định

- Không kể đến mao dẫn

II Tính toán thấm qua đập đất bằng p thủy lực- các sơ đồ cơ bản:

(6-5) là phương trình đường bão hòa

Từ (6-4) với x = L ta có lưu lượng thấm (6-6) : h21 h22

2L



Đó là công thức Duy puy

2 Dòng thấm đổ vào vật thoát nước (Hình 6-5)

- Giả thiết Côzeni:

 Điểm đầu (phía trong) của vật thoát nước (F) là tiêu điểm

 Độ cao của F là độ cao hút nước

 Gốc tọa độ 0 cách F một đoạn là l0 = 0,5a0

- Giải:

 Phương trình đường bão hòa: y 2

= 2a0x (6-7)

a  h  L  L (6-9)

3 Dũng thấm ở trờn nền hạ lưu (Khụng cú vật thoỏt nước) (Hỡnh 6-6)

- Hạ lưu khụng nước, điểm đổ ra

mỏi của đường bóo hũa là 0 cú độ

cao hỳt nước a0

- Giải:

đoạn: Đoạn thõn và nờm

Ranh giới 0E cú thể là đường

cong hoặc là đường thẳng nghiờng

i= 0,5

Hình 6-6: Sơ đồ dòng thấm

ở nêm hạ l u đập đất

0, 5 m



4 Dũng thấm ở nờm thượng lưu (Hỡnh 6-7)

- Miền thấm abc được biến đổi tương

đương là adec với L

- Đường bóo hũa thực đoạn af cú

được từ đoạn đường bóo hũa tương

đương df

Hình 6-7: Sơ đồ biến đổi t ơng đ ơng miền thấm ở nêm th ợng l u

- L :

với  phụ thụôc vào m 1

III Tớnh toỏn thấm qua đập đất trờn nền khụng thấm theo phương phỏp thủy lực:

1 Đập đồng chất, khụng cú thiết bị thoỏt nước:

- Lưới thấm như (hỡnh 6-8)

Hình 6-8: Sơ đồ l ới thấm của đập đồng chất trên nền không thấm

- Đường bóo hũa ở A thỡ vuụng gúc mỏi thượng lưu, ở c thỡ tiếp tuyến là mỏi hạ lưu

- Cú JA = cos1 ; JB = 0 ; JC = sin 2 ; JD = 

- Tớnh cỏc đặc trưng (Hỡnh 6-9)

Hình 6-9: Sơ đồ tính thấm qua đập đồng chất trên nền không thấm

+ Chuyển mỏi nghiờng thương lưu thành mỏi đứng với L

+ Lưu lượng thấm q ở nờm hạ lưu theo sơ đồ (6-10) (a)

Hình 6-10: Sơ đồ tính thấm ở đoạn nêm hạ l u đập

 

+ q ở nêm theo sơ đồ (6-10b) với CC1 là cung tròn tâm D (Theo Kazagran):

* Chiều dài l theo (6-18):

2

Z l

sin



* Lưu lượng trên mực nước hạ lưu là q1 theo (6-19):

+ Phương trình đường bão hòa theo (6-23): 2 2

1

k

x (h y ) 2q

2 Đập đồng chất cú thiết bị thoỏt nước:

- Sơ đồ tớnh theo (6-11)

Hình 6-11: Sơ đồ tính thấm qua đập đồng chất trên nền không thấm, khi hạ l u có thiết bị thoát n ớc

- Khi hạ lưu không có nước:

* Phương trình đường bão hoà theo (6-7): y 2 = 2a0x

- Khi hạ lưu có nước:

 Lưu lượng theo (6-26):

 Phương trình đường bão hoà tính theo (6-27):

- Nếu thiết bị thoát nước hình ống thì 0 là tâm ống

- Khi thiết bị thoát nước ốp mái thì dạng đbh như không có TB thoát nước

3 Đập có tường lõi mềm (Hình 6-13)

- Phương pháp phân đoạn:

+ Đoạn trước lõi

*Nguyên tắc biến đổi: q = hằng số

* Chiều dày biến đổi của lõi T tính theo (6-28):

- Dùng chiều dày trung bình tính toán

- Phương pháp phân đoạn:

+ Tại tường nghiêng:

* Trên đường bão hòa từ dq1  k 0 Z.dl

1

dZ dl

+ Sau tường nghiêng

+ Nêm (như các bài toán trước)

+ Phương trình đường bão hoà theo (6-35) h23 h2 h 32 y2



* Tính thấm với đập biến đổi rồi đưa về đập thực

IV Thấm qua đập đất trờn nền thấm nước

- Là loại thường gặp

- Phức tạp, chỉ tớnh gần đỳng đơn giản

1 Thấm qua đập đồng chất trờn nền thấm nước:

a) Khi nền vụ hạn (Hỡnh 6-16): Kn =K đ =aaL

Hình 6-16: L ới thấm của đập đồng chất trên nền thấm n ớc sâu vô hạn,

- Phương trỡnh đường bóo hũa (6-36): x S 3 / 2 y

Hình 6-17: Sơ đồ tính thấm của đập đồng chất trên nền thấm n ớc dày có hạn

+ Khi tớnh xem nền khụng thấm, cú lưu lượng qua đập q 1

+ Lưu lượng qua nền q2 theo (6-39): q2 knh T1

n.L

Với n > 1 là hệ số hiệu chỉnh chiều dài đường viền thấm

2 Đập cú tường nghiờng và sõn phủ (Hỡnh 6 -18)

Hình 6-18: Sơ đồ tính thấm qua đập đất có t ờng nghiêng và sân tr ớc

- Bỏ qua thấm qua tường nghiờng, sõn phủ

- Lưu lượng tớnh theo (6-40):

- Khi cú TB thoỏt nước ở hạ lưu (Hỡnh 6-19)

Hình 6-19: Sơ đồ tính thấm qua đập có t ờng nghiêng sân tr ớc

S



3 Đập cú tường nghiờng chõn răng (Hỡnh 6-20)

Hình 6-20: Sơ đồ tính thấm qua đập có t ờng nghiêng và chân răng

- Lưu lượng thấm tớnh theo (6-43):

4 Đập có tường tâm:

- Tính theo phương pháp phân đoạn

- Tính theo pp biến đổi về cùng một hệ số thấm Kđ

 Biến nền có k về cùng K đ với T bđ == T

Kd Kn

 Sửa lại hệ số thấm của lõi (K0)' = K0.

*

h h

- Sau 3 phép biến đổi về đập đồng chất, giải bình thường, rồi đưa về đập thực

V Lưới thấm

- Cú được bằng thực nghiệm hoặc đồ giải

1 Phương phỏp thớ nghiệm:

- Hỡnh (6-21) là mụ hỡnh thớ nghiệm tương tự điện

Hình 6-21: Sơ đồ l ới thấm vẽ bằng máy ЭГДA

- Đường bão hòa:

 Giả thiết là đường BC

 Chia H ra n; Chênh thế hai đường liên tiếp là H/n

 Kẻ các đường ngang, cắt BC ở d, có thế H1

 Đặt máy do H1 rò trên đường nằm ngang có d1

 Nối d1 có đường bão hòa.

2 Phương pháp đồ giải:

 Xác định đường bão hòa.

 Phân cột nước thấm thành 510 đoạn và qua đó vẽ các đường nằm ngang cắt đbh ở d,e,f

 Qua d,e,f vẽ các đường trực giao với đường bão hoà.

 Kiểm tra.

 Xác định đường bão hòa

 Phân cột nước thấm thành 510 đoạn và qua đó vẽ các đường nằm ngang cắt đbh ở d,e,f

 Qua d,e,f vẽ các đường trực giao với đường bão hoà

 Kiểm tra

VI Tổng lưu lượng thấm (Hình 6-23)

 Chia đập ra 1 số đoạn (tùy theo địa hình, thủy văn, địa chất)

- Do tải trọng cỏc loại gõy ra

- Với đất dớnh cú thờm ỏp lực lỗ rỗng Sự tiờu tan ỏp lực lỗ rỗng làm giảm ỏp lực ở

đú và tăng tải trọng hiệu quả, đú là sự cố kết của đất

- Nghiờn cứu sự co của hai mẫu đất (cỏt, sột) thấy cố kết của đất sột chậm hơn (Hỡnh 6-24)

Hình 6-24: Độ co của các mẫu đất

- Biến dạng là cũn tớnh đến cả lỳn của nền, chuyển vị cục bộ do thấm, sụt lở, nứt nẻ

 Ứng suất tại điểm 0 (Hình 6-26a)

II Tính lún của đập và nền

- Tính cho hai trường hợp: Lún hoàn toàn, lún theo thời gian

- Nếu đập có hệ số cố kết nhỏ hơn 10-7cm/năm và đập cao hơn 25m thường phải tính lún theo thời gian

- Tổng độ lún của đập trong thời gian từ t1 đến t2 (tính theo phân lớp) được xác định theo (6-47)

  : hệ số rỗng của lớp i tương ứng với thời điểm t1,t2

- Xác định theo đường cong ép lún σt , với σt tính toán theo (6-48)

t = tu - Ut, (6-48)

 Thời kỳ khai thác, nước dâng lên đột ngột tính từ khi nước dâng đến khi đất

cố kết hoàn toàn, σt tính theo (6-49): t = * - U’t - Ut

Trong đó σ* : ứng suất nén trong sườn đất khi đã cố kết hoàn toàn

U't : áp suất thủy tĩnh

Ut : áp suất thủy động

cố kết hoàn toàn, σt theo (6-50): t = 2Z

2 : Dung trọng tự nhiên

z : Chiều cao từ mặt cắt tính toán đến mặt đất

III Tính toán áp lực khe rỗng

1 Mở đầu:

- Môi trường đất có: cốt đất, nước, không khí Khi các hạt tựa vào nhau vững chắc thì gọi là môi trường đất đã cố kết hoàn toàn.

- Do P mà nước, khí thoát ra làm độ rỗng của đất giảm.

- Khi đất chứa tỷ lệ nước vừa phải còn lại là khí thì cố kết nhanh.

- Khi đất bão hòa nước, không khí ít (chỉ có bọc khí) do vậy tăng tải là không hiệu quả, cốt đất biến dạng nhưng độ rỗng không đổi.

- Quá trình cố kết chỉ xảy ra, khi nước trong lỗ rỗng bị ép thải ra Hạt càng bé, ép thải càng khó, áp lực nước phân bổ không đều trong kẽ rỗng càng lớn Đó là

áp lực kẽ rỗng hay áp lực đủ.

- Cần xét đến áp lực kẽ rỗng khi tính ổn định mái, tính lún của đập (Khi Hđ > 40m phải tính đến áp lực kẽ rỗng)

2 Các phương pháp xác định áp lực khe rỗng:

- Phương pháp Hilf: Áp suất không khí bằng áp suất nước trong lỗ rỗng

và không tiêu tan

- Phương pháp V.A.Florin:

Đã xác lập được phương trình áp lực theo thời gian dựa vào phương trình

cố kết của đất

Theo điều kiện thoát nước của khối đất chia ra:

+ Thoát nước theo một hướng (tường lõi, tường nghiêng mỏng)

+ Thoát nước theo hai hướng (đập có lđ > 2Bđ)

+ Thoát nước ba hướng (đập đắp trong lũng hẹp)

II Hỡnh dạng mặt trượt

- Mặt trượt phẳng: Nghiờng một gúc  xảy ra ở đất rời (Hỡnh 6-31)

Hình 6-31: Mặt tr ợt của mái đập đất Hình 6-32: Mái đập cân bằng ổn định

- Mặt trượt cong (cú thể với một phần của nền): xảy ra với đất dớnh

- Mặt trượt hỗn hợp

III Tớnh toỏn ổn định của mỏi đập đồng chất, chịu trọng lượng bản thõn:

- Mặt trượt trụ trũn

Hình 6-33: Đ ờng biểu diễn ổn định mái đập

- Biết  ,  , c , h tỡm ra gúc " giới hạn Nếu "> thỡ mỏi ổn định

IV Tính toán ổn định mái đập không đồng chất - phương pháp vòng cung trượt

- Lấy một cung trượt tâm 0 bán kính R:

+ Chia cung trượt ra thành các dải

+ Xét dải thứ n có trọng lượng  

i

hi b

Rời G n xuống đáy giải và phân ra 2 lực:

 Lực tiếp tuyến: T n

 Lực pháp tuyến: N n ; tạo ra lực ma sát S n + Áp lực thấm:

1 Áp lực thấm xét cho phần đất nằm dưới đường bão hòa:

 Đối vối một giải bất kỳ theo (6-53): Wn = nJbh,

Với h: Chiều cao cột nước (từ đáy dải đến đbh)

 Đối với khối trượt theo (6-54), điểm đặt ở trọng tâm và có hướng theo độ dốc trung bình của dòng thấm: W = nJtb,

 Theo hình (6-34) áp lực thấm có hai thành phần: W1 = n1J1, W2 = n2J2,

 Nếu: Chia các giải bằng nhau và bằng b = R/m

(m là số nguyên, tùy chọn từ 1020); Đặt giải 0 nhận trục thẳng đứng qua tâm là trục đối xứng, lần lượt có các dải về phía trái là 1, 2, 3 về phía phải là -1, -2, -3 thì có

2 Áp lực thấm thành lực trọng lực:

-Khối nước trong cung trượt

trên mực nước hạ lưu, dưới

đường bão hòa có trọng

- Tại dải n có áp lực thấm theo (6-60) : n n

T

    



*Ghi chú: Dưới đường bão hòa, chon  bh

Với mái thượng lưu:

* Nước dâng cao sẽ ổn định, nước rút có dòng thấm từ đập ra (Hình 6- 37) có thể gây mất ổn định mái đập

*Nếu mực n ớc hồ hạ thấp từ từ, đ ờng bão hoà cũng xuống theo Khi đất mà

n ớc

*Nước rỳt từ từ(<1m/ngàyđờm) đường bóo hũa hạ thấp từ từ, đất trờn đbh từ chịu lực đẩy nổi nay ở trạng thỏi ướt, vỡ vậy giảm ổn định

*Nước rỳt đột ngột (>3m/ngàyđờm cú dũng thấm ngược, làm mất ổn định

*Nước rỳt tương đối nhanh, nước thoỏt ớt, hỡnh thành dũng thấm ổn định Việc tớnh phải chia làm nhiều thời đoạn, ở mỗi thời đoạn coi như đường bóo hoà khụng đổi

V Xác định cung trượt nguy hiểm

cung tr ît nguy hiÓm

+Trên  lấy ít nhất 3 tâm cung trượt qua B1, tính K j vẽ biểu đồ, có K min ở B 1

+Tương tự như thế với điểm B 2 , B 3 và vẽ biểu đồ K với các điểm B j ta có K minmin

và cung trượt tương ứng là cung trượt nguy hiểm

2 Phương pháp Fanđêep':

- Xác định vùng chứa tâm cung trượt nguy hiểm

- Giới hạn bởi 4 đường (Hình 6-39)

+Đường thẳng đứng đi qua

điểm giữa I của mái

+Đường hợp với mái (phía

VI Ảnh hưởng của áp lực kẽ rỗng đến ổn định của đập đất

- Nước, không khí không thoát, làm tăng áp lực nước và không khí trong kẽ rỗng lớn Dẫn đến giảm sức chống cắt của đất, giảm ổn định

- Tốc độ thi công càng nhanh, thì áp lực lỗ rỗng càng lớn

- Nước hồ rút nhanh, làm tải trọng tăng làm phần đất ít thấm nước, phía dưới phát sinh ra áp lực kẽ rỗng  giảm ổn định

VII Ảnh hưởng của dòng thấm đi ra ở hạ lưu

+ Dòng thấm đổ ra mái hạ lưu tại điểm A (Hình 6-40)

+ JA = sin 2 ; JB=  (Theo lý thuyết), thực tế J B là một số ở đoạn BC có J nhỏ hơn + Ở đoạn AB là bất lợi

+ Xét một đơn vị khối đất tại A:

 Áp lực đất 1 (đẩy nổi) phân ra theo mái đập 1sin2 ; theo vuông góc mái đập

VIII Đỏnh giỏ P tớnh toỏn ổn định theo mặt hỡnh trụ trũn

+ Chỉ xột bài toỏn phẳng là thiờn về an toàn (nếu tớnh theo bài toỏn khụng gian cho

K lớn )

+ Chưa xột đến cỏc lực ở 2 bờn dải Hệ lực tỏc dụng lờn một dải khụng cõn bằng + Ngày nay ỏp dụng cỏc phương phỏp tớnh ổn định theo mặt trụ trũn cú xột đến tương tỏc hai bờn

IX Tớnh toỏn ổn định của nghiờng và lớp bảo vệ

- Cần kiểm tra ổn định theo mặt tiếp giỏp

- Kiểm tra ổn định lớp bảo hộ tường nghiờng (Hỡnh 6-41)

Hình 6-41: Sơ đồ kiểm tra

ổn định bảo hộ t ờng nghiêng

+ Khối đất BCDD’: G 1 phõn theo phương tiếp tuyến cú S 1 = G 1 sin  1

với E t tớnh theo cụng thức ỏp lực bị động

- Kiểm tra ổn định của tường nghiờng và lớp bảo hộ (Hỡnh 6-42):Tớnh tương tự

Hình 6-42: Kiểm tra ổn định t ờng nghiêng và lớp bảo vệ