Giới thiệu và cơ sở thiết kế công trình thủy lợi

ĐỘ BỀN THẤM CỦA NỀN ĐẤT VÀ CÔNG TRÌNH ĐẤT:* Độ bền thấm của nền đất và của các công trình đất là sự chống lại khả năng bị biến dạng do dòng thấm gây ra.. • các đường dòng Ψx,y,z là hằn

Trang 1

Giảng viên: NGUYỄN PHƯƠNG DUNG

Chương 3: THẤM Ở CÔNG TRÌNH THỦY LỢI

BÀI GIẢNG: GIỚI THIỆU & CƠ SỞ THIẾT KẾ C.T.T.L

Trang 2

§3-1: HIỆN TƯỢNG THẤM Ở CÔNG TRÌNH THỦY

§3-2: TÁC ĐỘNG CƠ HỌC CỦA DÒNG THẤM VÀ

ĐỘ BỀN THẤM Ở NỀN VÀ CÔNG TRÌNH THỦY

§3-3: LÝ THUYẾT THẤM

§3-4: THẤM DƯỚI NỀN CÔNG TRÌNH THỦY LỢI

§3-5: THẤM VÒNG QUANH BỜ VÀ BÊN VAI CÔNG TRÌNH

§3-6: BIẾN HÌNH THẤM, CÁC BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG

Trang 3

* Cột nước thấm: lượng chênh lệch mực nước TL và HL.

* Môi trường thấm: nền và thân công trình bằng vật liệu

thấm nước

Trang 4

§3-1: HIỆN TƯỢNG THẤM Ở CÔNG TRÌNH THỦY

II ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG THẤM ĐẾN CTTL:

1 Tác hại:

- Dòng thấm gây mất nước hồ chứa

- Gây áp lực thấm đẩy ngược lên đáy công trình, làm giảmkhả năng chống trượt của công trình

- Gây biến hình đất nền, đặc biệt là vùng cửa ra gây lún sụt, nghiêng lật công trình (biến hình thấm cơ, hóa học)

- Dòng thấm gây lầy hoá ở hạ lưu, làm giảm khả năng chốngtrượt của mái hạ lưu đập

- Dòng thấm làm thay đổi ứng suất hiệu quả trong đất giảm

độ bền của đất

Trang 6

II ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG THẤM ĐẾN CTTL:

2 Phòng chống:

a) Làm giảm vận tốc dòng thấm, giảm nguy cơ xói ngầm:

Kéo dài đường viền thấm (bản cừ, màng vữa xi măng, tườngngăn bê tông átphan hoặc bê tông thường, sân phủ TL)

Trang 7

2 Phòng chống (tiếp):

b) Giảm áp lực thấm lên công trình:

Làm bộ phận tiêu nước thấm để nước thoát về phía hạ lưu công trình nhanh hơn

Trang 8

§3-2: TÁC ĐỘNG CƠ HỌC CỦA DÒNG THẤM VÀ

ĐỘ BỀN THẤM Ở NỀN VÀ CÔNG TRÌNH

Trang 9

nước.

Trang 10

ĐỘ BỀN THẤM Ở NỀN VÀ CÔNG TRÌNH

I TÁC ĐỘNG CƠ HỌC CỦA DÒNG THẤM:

- Hai dòng (1), (2) xungquanh phân tử đất A

- Các ống đo áp (Pezomet)

có P1>P2>P3 do có ma sát

- Hình thành ứng suất pháp

σ và ứng suất tiếp 

Trang 11

- Áp lực F tác dụng trực tiếp lên A

gọi là áp lực nước đơn vị

- Tổng áp lực nước ∑F tác động lênthể tích V, tác động của dòng thấm

→ áp lực của nước F s = ∑F/ V.

- Fs được gọi là áp lực thủy động củadòng thấm

Trang 12

- Lực đơn vị Fs có thể phân tíchthành lực Ft=J.n theo phươngtiếp tuyến, lực Fw=(1-n).n theophương thẳng đứng, là lực đẩyngược thủy động lực học đơn vị.

- J=∆h/∆s là gradient, n là độ

Trang 13

Các lực tác dụng lên khối đất đơn vị gồm: dk (dung trọng khôcủa đất), Fw (áp lực thuỷ động đẩy ngược đơn vị), Ft (lựcthấm đơn vị, theo phương dòng thấm)

w d



n d

'     



Trang 14

- Nếu hiện tượng biến dạng cục bộ xảy ra ở chỗ tiếp xúc sẽlàm đẩy các hạt mịn lấp đầy vào lỗ rỗng của các hạt thô.

- Xói ngầm cơ học chỉ xảy ra trong vật liệu có các kích thướccác cỡ hạt khác nhau, hạt rời

- Với kích thước hạt đồng đều, đất dính, chỉ có thể xảy rahiện tượng biến hình thấm cục bộ

Trang 15

II ĐỘ BỀN THẤM CỦA NỀN ĐẤT VÀ CÔNG TRÌNH ĐẤT:

* Độ bền thấm của nền đất và của các công trình đất là

sự chống lại khả năng bị biến dạng do dòng thấm gây ra.

* Độ bền thấm thông thường và độ bền thấm đặc biệt.

Trang 16

2 Độ bền thấm đặc biệt:

- Là khả năng chống lại biến dạng do dòng thấm nhưng

không biết trước cũng như không thể tính toán qua các công thức cơ học.

- Xảy ra ngẫu nhiên ở chỗ vật liệu không đảm bảo chất lượnghoặc xảy ra hiện tượng lún không đều, tạo nên dòng thấmtập trung

- Khi tính toán kích thước công trình, hệ số an toàn cần tínhđến độ dự trữ nhất định

Trang 17

(a) Sự phá hoại hoàn toàn mái dốc của đập,

(b) Biến dạng thấm cục bộ

(1) Dòng thấm; (2) Mặt trượt trụ tròn, (3) Khối đất trượt; (4) Trượt cục bộ mái đất;

(5) Điểm ra của dòng thấm

Trang 18

§3-3: LÝ THUYẾT THẤM

Trang 19

• Thế năng và động năng của khối nước: Phương trình

p Z

g

v

p Z

Trang 20

- Quan hệ tuyến tính giữa vận tốc v và J theo định luật cơbản của nước thấm trong đất, định luật H Darcy.

- Nước chỉ thấm qua lỗ rỗng chứ không thấm qua diện tíchthấm vì vậy vận tốc thấm lớn hơn vận tốc thấm tính ở trên

Trang 21

- Đất cát và đất sét kém chặt quy luật thấm phù hợp với địnhluật Darcy.

- Đất hạt thô, cuội sỏi, đá đổ vận tốc thấm tăng lên, vượt quávận tốc giới hạn, thấm chảy rối, thấm chảy tăng không ápdụng được nữa

- Đất sét chặt do cản trở của nước bao quanh hạt khiến quyluật thấm đổi khác so với định luật Darcy Chỉ khi J đủ lớnkhắc phục được cản trở ban đầu mới tuân theo định luậtDarcy

Trang 22

§3-3: LÝ THUYẾT THẤMIII PHÂN LOẠI BÀI TOÁN THẤM:

1 Bài toán thấm ổn định:

Các đại lượng dòng thấm không phụ thuộc vào thời gianH=const, không có q bổ sung

2 Bài toán thấm không ổn định:

Các đại lượng biến đổi theo thời gian H≠const, có q bổ sung

3 Bài toán thấm không gian: h(xi, yi, zi)

4 Bài toán thấm phẳng: h(x, y)

5 Bài toán thấm có áp: Dòng thấm không có mặt thoáng,thấm dưới đáy công trình

Trang 23

6 Bài toán thấm không áp: Dòng thấm có mặt thoáng, mặtbão hoà, thấm qua đập đất.

7 Bài toán thấm trong môi trường đồng nhất đẳng hướng:

Kx=Ky=Kz=const

8 Bài toán thấm trong môi trường dị hướng: Kx≠Ky≠Kz

Trang 24

IV PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA DÒNG THẤM:

Nguyên lý bảo toàn khối lượng

(Tổng lượng nước đi vào phân tố) – (Tổng lượng nước đi rakhỏi phân tố) = 0

z

x

y Vz

Vx

Vy

dz

dx dy

Vy x

Vx

;

x

H K

22

H x

H

Trang 25

thế năng có thể được thể hiện qua hàm thế j (x,z) với

phương trình vi phân Laplace

Nghiệm của phương trình này được thể hiện bằng hai họ

đường, họ các đường đẳng thế (đường đẳng cột nước) và

họ các đường dòng

z

x

y Vz

Vx

Vy

dz

dx dy

.

  k h



0 z

y

2 2

Trang 26

Đặc điểm của lưới thấm

• các đường đẳng thế φ (x,y,z) là hằng số: (đường đẳng thế

hay đường đẳng cột nước): tập hợp các điểm có cùng cộtnước thấm

• các đường dòng Ψ(x,y,z) là hằng số: biểu diễn quỹ đạo

của các phần tử nước chuyển động trong miền thấm;

• Hai họ đường dòng và đường thế tạo thành một lưới có

các mắt lưới hình vuông cong

• Lưới thấm chỉ phụ thuộc vào dạng hình học của miền

thấm mà không phụ thuộc vào hệ số thấm, cột nước,chiều dòng thấm, và kích thước tuyệt đối của công trình

Trang 27

1 Mô hình thuỷ lực trên tỷ lệ thu nhỏ: thường tỷ lệ 1:25, dùngống đo áp (Pezomet), đo thế năng tại các điểm đặc biệt, vẽđường thế và đường dòng, xây dựng được lưới thấm.

2 Mô hình tương tự điện: tương tự giữa định luật Đarcy vớiđịnh luật Ohm

3 Phương pháp số: phương pháp sai phân, phương phápphần tử hữu hạn đã có các kết quả trong môi trường đồngnhất, môi trường không đồng nhất

4 Phương pháp đồ giải (vẽ lưới thấm): dựa trên tính chấtlưới thấm, vẽ các đường thế trước và sau đó đến các đườngdòng từ đó tính được h, q, j

Trang 28

V CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN THẤM:

5 Nhóm các phương pháp gần đúng: tính thấm dưới nềncông trình thủy lợi phương pháp cơ học chất lỏng gần đúng(phương pháp hệ số sức kháng), phương pháp tỷ lệ đườngthẳng …

Trang 29

§3-4: THẤM DƯỚI NỀN CÔNG TRÌNH THỦY LỢI

§3-7: CÁC BIỆN PHÁP PHÒNG CHỐNG THẤM

Trang 30

I THẤM Ở NỀN ĐỒNG CHẤT:

1 Những vấn đề chung:

a) Giới hạn của miền thấm:

Trong nền công trình, miền thấm có giới hạn trên là mặt tiếpxúc giữa đất nền với đế công trình, giới hạn dưới là mặt tầngkhông thấm

Trang 31

1 Những vấn đề chung:

b) Các giả thiết cơ bản:

- Đất nền là môi trường đồng nhất đẳng hướng

- Nước chứa đầy miền thấm và không ép co được

- Dòng thấm ổn định

- Dòng thấm chảy tầng và tuân theo định luật Darcy: V=KJ

- Trong miền thấm không có điểm tiếp nước, điểm rút nước

- Bài toán thấm phẳng

* Tìm ra các thông số của dòng thấm là: cột nước thấm h,phân bố gradien J và vận tốc thấm V, lưu lượng thấm q

Trang 32

2 Phương pháp đồ giải (xây dựng lưới thấm):

- Do tác giả Forheimey (Đức) và Richardson (Anh)

- Phương pháp này đơn giản, cho kết quả tương đối nhanh

- Mức độ chính xác của phương pháp phụ thuộc vào trình độ

và kinh nghiệm của người vẽ lưới thấm

- Lưới thấm được vẽ bằng tay và sửa đúng dần

Trang 33

* Nguyên tắc vẽ lưới thấm:

- Lưới thấm thoả mãn điều kiện các đường dòng và đườngthế phải trực giao

- Đường thế là tập hợp các điểm cùng cột nước: φi(xi,yi)

- Đường dòng là quỹ đạo chuyển động của một hạt nướctrong miền thấm Ψi(xi,yi)

- Hai họ đường dòng và đường thế tạo thành một lưới có cácmắt lưới hình vuông cong (Δs/Δl≈1)

- Các đường dòng không cắt nhau, các đường thế không cắtnhau

Trang 34

b)

Sơ đồ lưới thấm

Trang 35

Sử dụng lưới thấm xác định các đặc trưng dòng thấm:

- Cột nước thấm tại một điểm bất kỳ:

- Lưu lượng thấm đơn vị (bài toán phẳng):

- Lưu lượng thấm của toàn miền: q = m

Trang 36

Sử dụng lưới thấm xác định các đặc trưng dòng thấm:

- Gradien thấm bình quân trong 1 mắt lưới là:

- Sử dụng công thức này, dễ dàng tính được trị số gradienthấm tại một điểm bất kỳ trong miền thấm

- Lưới thấm vẽ càng dày thì mức độ chính xác khi tính J càngcao

H H J

L n L



Trang 38

3 Phương pháp tỷ lệ đường thẳng (tiếp):

- Chiều dài tính toán của dòng thấm xác định theo công thức:

+ L đ : chiều dài tổng cộng của các đoạn đường viền thẳng đứng, hoặc nghiêng góc  > 45° so với phương ngang.

+ L n : chiều dài tổng cộng của các đoạn đường viền nằm ngang, hoặc nghiêng góc  < 45° so với phương ngang.

+ m: hệ số phụ thuộc vào số hàng cừ, 1 hàng cừ: m = 1 - 1,5;

, m

L L

d

tt  

Trang 39

- Để đảm bảo độ bền thấm chung, Ltt thoả mãn điều kiện:

Ltt  CH H - chênh lệch mực nước thượng hạ lưu,

C - hệ số phụ thuộc đất nền, lấy theo bảng sau:

Trang 40

- Trị số cột nước thấm tại một điểm cách mép hạ lưu đường viền thấm một đoạn dài tính toán x là:

Quy tắc tính x cũng giống như khi tính Ltt

x h

tt

x 

Trang 41

- Trị số gradien thấm là lưu tốc thấm trung bình:

- Lưu lượng thấm đơn vị (bài toán phẳng):

T - chiều dày bình quân của tầng thấm:

; L

H k V

; L

H J

tt

d tt

tt

n tt

n

L m

H

k V

; L m

L

T T

Với Ti là chiều dày bình quân của tầng thấm tương ứng dưới đoạn đường viền nằm ngang có chiều dài Li

Trang 42

Trang 43

2 2

2

3 3

Trang 44

Trang 45

4 Phương pháp hệ số sức kháng (tiếp):

- Đường ranh giới giữa 2 bộ phận kề nhau là đường thế

- Miền thấm thường được phân thành 3 loại bộ phận:

a) Bộ phận cửa vào, ra: có thể có cừ, bậc thụt, hoặc cả hai.

b) Bộ phận giữa: gồm cừ, bậc thụt, hoặc cả hai.

c) Bộ phận nằm ngang: chứa đoạn đường viền nằm ngang.

- Dọc các phân nằm ngang, coi đầu nước tiêu hao theo quyluật đường thẳng

Trang 46

4 Phương pháp hệ số sức kháng (tiếp):

- Cột nước thấm tiêu hao tương ứng ở các bộ phận là:

- Từ hai công thức trên ta có:

q

=>

i i

H h

Trang 47

2 2 2 2

2

2 1

2

75 0

1

5 0 5

1

T

S ,

T

S ,

T

S

, T

T

S.5,0T

S.5,

1

2

2 c









Trang 48

Trang 49

1 max

Trang 50

5 Phương pháp số:

Sử dụng các phần mềm trên cơ sở sử dụng các phươngtrình vi phân để xác định các đặc trưng của dòng thấm theocác pp:

a) Phương pháp sai phân:

b) Phương pháp phần tử hữu hạn:

Trang 51

1 Dòng thấm chảy dọc theo các lớp:

- Dòng thấm trong các lớp có gradien thấm như nhau

- Lưu lượng thấm chung bằng tổng các lưu lượng thấm trongmỗi lớp: q = J.kiti;

- Trong môi trường thấm tương đương với ktb ta có:

q = kTB.J.T = kTB.J.ti

=>

t t t

i

k t k

t



Trang 52

II THẤM Ở NỀN KHÔNG ĐỒNG CHẤT:

2 Dòng thấm chảy chảy thẳng góc với các lớp:

- Dòng thấm qua các lớp có lưu lượng như nhau và bằng q

i i

Trang 53

Nhận xét:

Nếu nền gồm 2 lớp có chiều dày bằng nhau (l1 = l2 = l/2):

=>

Kết luận: Vậy dòng thấm chảy dọc theo các lớp sẽ dễ dàng

hơn là chảy thẳng góc với các lớp

1 2 TB

Trang 54

Trang 55

3 Sự đổi hướng của dòng thấm khi vượt qua ranh giới giữahai lớp đất khác nhau (tiếp):

- Khi chênh lệch giữa k1, k2 càng lớn thì góc lệch của đườngdòng khi vượt qua mặt phân cách càng lớn

- Dựa vào quy tắc này, ta có thể vẽ lưới và giải bài toán thấmqua nền đất gồm nhiều lớp khác nhau

- Nếu lưới thấm ở lớp 1 là lưới vuông (L = S) thì khi vượtsang lớp 2, lưới thấm sẽ là lưới chữ nhật (các ô có L  S),cần khống chế tỷ số L/S = hằng số

Trang 56

4 Dòng thấm trong môi trường đất dị hướng:

- Dòng thấm dị hướng diễn ra ở môi trường không đồng nhất

có hệ số thấm K ngang ≠ K đứng

- Ở nền trầm tích, thân đập đất đầm nén… hình thành cáclớp đất có K ngang > K đứng K n = K max, K đ = K min

- Dòng thấm dị hướng rất phức tạp, trong tính toán thườnggiải bằng phương pháp biến đổi tương đương về môi trườngthấm đẳng hướng

- Sau khi giải được các thông số của dòng thấm thì biến đổingược lại để có kết quả thấm trong môi trường dị hướng

Trang 57

4 Dòng thấm trong môi trường đất dị hướng (tiếp):

- Ta giãn mọi thành phần thẳng đứng của đất nền theo tỷ số

a thì Jđ giảm a lần, nhưng vẫn đảm bảo lưu lượng thấmkhông đổi, khi đó Kđ cần tăng a lần:

K’ đ = a.K đ = a.K min

- Phép giãn phương đứng đã làm tăng mặt cắt ướt của dòngthấm ngang lên a lần Muốn bảo đảm cho lưu lượng thấmkhông đổi thì phải giảm hệ số thấm theo phương ngangxuống a lần:

a

K a

K '

Trang 58

4 Dòng thấm trong môi trường đất dị hướng (tiếp):

- Sau phép biến đổi, nền trở thành đẳng hướng nên ta có:

=>

a

K a.K

K'

min n

n đ

TB K ' K ' k k

Trang 59

1 Tính thấm qua khối đất hình chữ nhật đáy nằm ngang:

 Ky  dy ,

qdx y

1 h

2 2





x K

q

2 h

y  12 



L 2

h

h K q

2 2

2

1 



Trang 60

§3-4: THẤM DƯỚI NỀN CÔNG TRÌNH THỦY LỢIIII DÒNG THẤM QUA ĐẬP ĐẤT, ĐÁ:

2 Thấm qua khối đá đổ hình chữ nhật đáy nằm ngang:

- Môi trường đá đổ có

khe rỗng khá lớn

- Dòng thấm qua đá là

dòng rối, không tuân

theo quy luật Đacxi

- Tại m/c N - N, cột

nước thấm là y ta có:

yH

q2 3  3



- Tính gần đúng theo công thức q2  H3  H3

Trang 61

2 Thấm qua khối đá đổ hình chữ nhật đáy nằm ngang (tiếp):

K - hệ số thấm của đá, phụ thuộc vào độ rỗng n, hình dạng

và kích thước của đá Theo M F Xrapnưi:

Trang 62

Trang 63

• Công trình xây nối với bờ đất

hoặc công trình thấm nước,

dòng thấm phát triển vòng

hai bờ và vai công trình

• Hiện tượng thấm không gian

(bài toán thấm 3 chiều)

Trang 64

§3-5: THẤM VÒNG QUANH BỜ VÀ VAI CÔNG TRÌNH

II GIẢI BÀI TOÁN THẤM VÒNG QUANH BỜ:

• Bài toán thấm ba chiều không áp

• Trường hợp tầng không thấm nằm ngang một cách gần

đúng giải bài toán phẳng (bình diện), lưng tường đóng vaitrò đường viền công trình

H x

H

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	1,75 MB