Giáo trình thủy công 1- Đại học bách khoa Đà Nẵng

Giáo trình thủy công 1- Đại học bách khoa Đà Nẵng

Chương 1 Khái niệm chung về công trình Thuỷ lợi

1.Vai trò của Thuỷ lợi trong nền kinh tế Quốc dân

- Trữ lượng nước trên trái đất rất lớn, khoảng 1,5 tỷ km 3 trong đó hơn 90% là nước ở các

đại dương và biển, còn lại là nước ở trong lục địa Song nước được phân bố rất không đều theo không gian và phân phối không đều theo thời gian Mặt khác nước cũng có thể gây nhiều tác hại rất to lớn cho nền kinh tế Quốc dân và con người như: nạn lũ lụt, ngập úng hay xói lỡ các bờ sông.

- Vì vậy muốn lợi dụng tài nguyên dòng nước phục vụ cho nền kinh tế Quốc dân và đời sống con người, phải nghiên cứu tìm ra những biện pháp công trình lợi dụng ích lợi của dòng nước và chống lại các tác hại của nó Chính từ đây ngành khoa học Thuỷ lợi được ra

đời theo yêu cầu của con người trong việc sử dụng nguồn nước và cùng với sự phát triển của các khoa học khác như toán, vật lý, hoá học, thuỷ văn, địa chất, thuỷ lực, kết cấu, vật liệu xây dựng.

 Những công trình xây dựng nhằm sử dụng tài nguyên nước và chống lại tác hại của nógọi là công trình thuỷ lợi

 Căn cứ vào mục đích chủ yếu trên, xây dựng các công trình Thuỷ lợi bao gồm các lĩnhvực sau đây :

1 Thuỷ điện : lợi dụng năng lượng của nước sông biển để phát điện

2 Thuỷ nông : dùng biện pháp thuỷ lợi để phát triển nông nghiệp (như tưới, tiêu,chống xói mòn, chống chua mặn, và chống bạc màu)

3 Giao thông thuỷ : cải thiện và lợi dụng sông, hồ , biển để phát triển giao thôngthuỷ

4 Cấp thoát nước cho các cơ sở sản xuất công nghiệp và vùng dân cư

5 Trị thuỷ: chỉnh trị các dòng sông- chống lụt, chống xói lỡ và bồi lắng trên các

a Tác dụng cơ học của nước

Công trình thuỷ lợi chịu tác dụng của áp lực thuỷ tĩnh và động Ngoài ra cần phải kể

đến áp lực sóng khi xuất hiện sóng và tác động của nước khi có động đất Dòng chảyqua công trình tháo (đập tràn, cống tháo nước…) mang xuống hạ lưu một năng lượnglớn, có thể làm xói lở mãnh liệt bờ và đáy sông bằng đất hay đá Vì vậy hạ lưu côngtrình cần có biện pháp tiêu năng để bảo vệ hạ lưu công trình và lòng sông (hình 1-1)

b Tác dụng của thấm

Khi công trình tạo ra độ chênh lệch cột nước thượng hạ lưu thì sẽ xuất hiện dòngthấm qua nền và bờ Dòng thấm qua nền sẽ gây nên áp lực thấm, mất nước, xói ngầmhoá học, xói ngầm cơ học, đẩy trồi đất Để tránh các tác hại trên ta áp dụng biện phápkéo dài đường viền thấm như làm sân phủ phía thượng lưu (sân trước), cừ chống thấm,hoặc màng chống thấm (hình 1-1)

c Tác dụng hoá lý của nước

Nước có thể tác dụng lên vật liệu làm công trình và đất nền làm cho bề mặt bị bàomòn Sự ăn mòn của nước đối với kim loại, bê tông, đá, gỗ xảy ra khi nước có tínhxâm thực Dòng chảy có lưu tốc lớn sẽ sinh ra vùng có chân không và dẫn đến hiệntượng khí thực Hiện tượng xói ngầm cơ học và hoá học có thể xảy ra trong nền côngtrình do dòng thấm

d Tác dụng của sinh vật

Một số sinh vật sống ở trong nước gây tác dụng không tốt đối với công trình như hà

ăn làm mục nát gỗ Ngoài ra còn có một số vi khuẩn xâm nhập vào vật liệu, có loạicôn trùng gặm đá và bê tông của công trình

2.Điều kiện thiết kế và thi công

- Điều kiện thiết kế: Các điều kiện tự nhiên (địa hình, địa chất, khí hậu, thuỷ văn…) vàdân sinh kinh tế có tác dụng quyết định đến việc chọn hình thức, kết cấu, kích thước và bốtrí các công trình trong hệ thống Do đó điều kiện thiết kế ảnh hưởng đến giá thành chonên người thiết kế phải thận trọng phân tích các điều kiện một cách kỷ lưởng Hơn nữa

điều kiện địa hình, địa chất, thuỷ văn và dân sinh kinh tế ở các vùng xây dựng hết sức

Hình 1-1: Biện pháp giảm thấm và tiêu năng hạ lưu công trình trên nền đất

1-Thân đập; 2-Cửa van; 3-Sân trước; 4-Sân tiêu năng; 5-Sân sau; 6, 7, 8-Cừ

- Điều kiện thi công: Thi công công trình thuỷ lợi vô cùng phức tạp vì diện thi công rộng,

địa hình phức tạp, nước xuyên bị nước uy hiếp, phải dẫn dòng thi công để làm công tác hốmóng- xây dựng công trình Mặt khác việc thi công công trình thuỷ lợi phải đảm bảo liêntục, đúng tiến độ vì vậy đòi hỏi phương án xữ lý thi công phức tạp và tốn kém Khối lượngcông trình thuỷ lợi rất lớn nên vốn đầu tư lớn và thời gian thi công rất dài vì vậy người thicông phải có phương án chuẩn bị nguyên vật liệu một cách đầy đủ, chính xác cho mọi thờikỳ

3 ảnh hưởng của công trình thuỷ lợi đối với khu vực lân cận

Có thể nói không có loại công trình nào khi xây dựng xong lại làm thay đổi lớn điềukiện kinh tế và thiên nhiên của khu vực như công trình thuỷ lợi

- Khi có công trình thuỷ lợi sẽ hình thành những khu vực công nghiệp, thành phố,

đường giao thông và khu dân cư mới…

- Các công trình dâng nước tạo hồ chứa làm ngập lụt cả một vùng rộng lớn ở thượng lưu

và làm thay đổi khí hậu ở trong vùng Mực nước ngầm cùng được dâng lên ảnh hưởng

đến sinh trưởng cây trồng trong vùng tạo điều kiện phát triển kinh tế tốt hơn

4 Những hậu quả to lớn do công trình thuỷ lợi bị hư hỏng

Các công trình thuỷ lợi nhất là với đập dâng nước – giữ một khối lượng nước rấtlớn với cột nước rất cao – khi bị hư hỏng khối lượng nước khổng lồ đó đỗ về hạ lưu vớilưu tốc cực kỳ lớn làm thiệt hại đến tính mạng tài sản nhân dân, làm tê liệt và hư hỏng cáckhu công nghiệp, nông nghiệp trên một phạm vi lớn, và làm đình trệ giao thông vận tảithuỷ

Ví dụ: - Đập trọng lực Francis ở Mỹ hỏng năm 1928 làm cho hơn 450 ngưòi chết

- Đập vòm Manpasset ở Pháp hỏng năm 1959 đã phá huỷ cả Thành phố Frêjus vàhơn 500 người chết

- Gần đây đập vòm Vaiong ở ý hỏng năm1963 làm 3000 người chết

- ở Việt Nam cũng đã có sự cố vỡ đập Suối Trầu (Khánh Hoà) tháng 11/1977 vàtháng 11/1978, đập Suối Hành tháng 12/1986, đập Am Chúa tháng 10/1992 cũng tạiKhánh Hoà ở đập Dầu Tiến (Tây Ninh) sự cố tháng 1/1986 xảy ra ở cửa tràn xả sâu, khi

hồ tích nước chưa đầy nhưng do thiết kế chưa đúng tổ hợp lực nên khi làm việc, liên kếtgiữa tai trụ đỡ càng van và khung thép néo dã bị phá vỡ làm cắt đứt trụ pin, phá hỏng cửatràn, gây ra lũ nhân tạo trong mùa khô ở hạ du sông Sài Gòn, thiệt hại về tài sản rất lớn

Vậy ta thấy tổn thất do công trình thuỷ lợi hư hỏng thường lớn hơn nhiều so vớivốn đầu tư xây dựng nó Cho nên người kỹ sư thuỷ lợi cần phải nhận thức đầy đủ tầm quantrọng của công trình cũng như hậu quả của sự cố để nâng cao ý thức trách nhiệm trongcông tác khảo sát, thiết kế xây dựng và quản lý công trình thuỷ lợi

B Vấn đề lợi dụng tổng hợp khi thiết kế xây dựng công trình thuỷ lợi

Nước trong thiên nhiên có thể đồng thời sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau, vì vậyviệc lợi dụng tổng hợp là nguyên tắc căn bản nhất khi khai thác nguỗn nước

Khi khai thác nguồn nước cần chú ý các đặc điểm sau:

- Khi dự kiến khai thác nguồn nước cho một mục đích nào đó cần đồng thời nghiên cứuphục vụ cho các mục đích khác Ví dụ: khi xây dựng trạm Thuỷ điện cần kết hợp tưới

- Cần phải nghiên cứu lợi dụng những công trình sẵn có và tránh làm gián đoạn các côngtrình đang đựợc khai thác.

- Việc khai thác triệt để nguồn nước theo nguyên tắc lợi dụng tổng hợp vô cùng phức tạp vì cùng một lúc không thể thoả mản được nhu cầu dùng nước của nhiều ngành [ vídụ: khi tưới thì mất nước, không đảm bảo phát điện bình thường hoặc không đủ nước để đảm bảo vấn đề giao thông ] khi đó phải dựa vào nguyên tắc ưu tiên cho ngành trọng điểm và chú

ý thích đáng đến các ngành khác

- Việc lợi dụng tổng hợp còn phụ thuộc vào chế độ xã hội và mức độ phát triển kinh tếcủa từng nước [ vì việc khai thác nguồn nước đụng chạm đến rất nhiếu ngành kinh tế khác nhau của một nước]

 3 Phân loại và các giai đoạn thiết kế công trình thuỷ

I Phân loại

Để phục vụ những mục đích khác nhau và tuỳ theo điều kiện tự nhiên ở các vùng xây dựng khác nhau, thực tế có rất nhiều loại công trình thuỷ công và kết cấu của chúng cũng rất khác nhau Để tiện cho việc nghiên cứu ta cần phân loại các công trình thuỷ lợi theo một số đặc tính:

1 Theo các ngành phục vụ gồm có

+ Công trình thuỷ nông

+ Công trình thuỷ điện

+ Công trình vận tải thuỷ

+ Công trình cấp thoát nước

+ Công trình phục vụ thuỷ sản

2 Theo chức năng cụ thể của công trình

+ Công trình dâng nước: Ngăn dòng chảy- dâng nước ( ví dụ: đập ngăn sông, cống

điều tiết nước, cống ngăn triều, đê biển, đê sông)

+ Công trình lấy nước: lấy nước từ sông, hồ phục vụ cho ngành dùng nước (các cốnglấy nước, trạm bơm )

+ Công trình tháo nước: dùng để tháo nước từ hồ chứa, từ đồng ra sông ( ví dụ: các

đường tràn lũ, cống tháo nước, cống tiêu)

+ Công trình dẫn nước: Dùng để dẫn nước từ nơi này đến nới khác (kênh, xi phông,cầu máng, đường hầm v.v )

+ Công trình chỉnh trị sông: là các loại đê, kè chắn sóng để điều chỉnh biến hình dòngsông theo hướng có lợi

3 Theo thời gian sử dụng

+ Công trình dâu dài: là loại công trình sử dụng thường xuyên hoặc định kỳ trong suốt

chúng không đảm nhận được nhiệm vụ như thiết kế đặt ra (đê, đập, công trìnhnhận nước, kênh dẫn, tháp điều áp,…)

- Công trình thứ yếu : là công trình mà sự hư hỏng của chúng không ảnh hưởng đến

sự làm việc bình thường của công trình đầu mối và hệ thống, có thể phục hồi

được trong thời gian ngắn (tường phân cách, công trình xả dự phòng, công trìnhgia cố bờ nằm ngoài cụm đầu mối,…)

+ Công trình tạm thời: Là loại công trình chỉ sử dụng trong thời kỳ xây dựng hoặc chỉdùng để sửa chữa công trình lâu dài trong quá trình khai thác(ví dụ : đê quai, kênhdẫn dòng, xả lưu lượng thi công, cầu tạm, )

4 Theo vị trí xây dựng

+ Cụm đầu mối công trình thuỷ lợi : là tổ hợp các hạng mục công trình thuỷ tập trung

ở vị trí khởi đầu của hệ thống dẫn, thoát nước; làm chức năng cấp hoặc thoát nước,

điều tiết, khống chế, phân phối nước

+ Hệ thống dẫn, thoát nước : là tổ hợp mạng lưới đường dẫn và công trình liên quan cómặt trong dự án

5 Theo kết cấu và vật liệu xây dựng

6 Theo năng lực phục vụ hoặc theo đặc tính kỹ thuật của các hạng mục công trình

Đây là cách phân loại quan trọng nhất, công trình thuỷ lợi được phân thành năm cấptuỳ theo quy mô, địa điểm xây dựng công trình, mức độ ảnh hưởng của chúng đến pháttriển kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng,…cũng như tác động tiêu cực đến tài nguyên, môitrường, tổn thất về người và tài sản do sự rủi ro có thể gây ra Sự khác nhau của mỗi cấpthiết kế được thể hiện bằng hệ số an toàn chung của công trình và qui định về khảo sátthiết kế

+ Phân cấp theo đặc tính kỹ thuật của các hạng mục công trình (TCXD VN285 :

2002)

đất nền

Cấp thiết kế

1 Đập vật liệu đất, đất - đá

có chiều cao lớn nhất, m A

B C

Nhóm B : Nền là đất cát, đất hòn khô, đất sét ở trạng thái cứng và nửa cứng

Nhóm C : Nền là đất sét bão hoà nước ở trạng thái dẻo

2 Chiều cao công trình được tính như sau :

- Với đập vật liệu đất, đất-đá : Chiều cao tính từ mặt nền thấp nhất sau khi dọn móng (không kể phần chiều cao chân khay) đến đỉnh đập.

- Với đập bê tông các loại và các công trình xây đúc chịu áp khác : Chiều cao tính từ

đáy chân khay thấp nhất đến đỉnh công trình.

+ Phân cấp công trình theo năng lực phục vụ (TCXD VN285 : 2002)

3 Công trình cấp nguồn nước (chưa xử

lý) cho các ngành sản xuất khác có lưu

II Các giai đoạn thiết kế

Để xây dựng công trình thủy lợi (xây dựng mới, cải tạo, sửa chữa lớn, nâng cấp) phảithực hiện theo các bước sau :

1.Giai đoạn lập dự án đầu tư thủy lợi

Trong giai đoạn này có thể làm theo hai giai đoạn sau :

2.1 Báo cáo nghiên cứu tiền khả thi (BCNCTKT)

1 BCNCTKT là một giai đoạn của bước chuẩn bị đầu tư đối với các dự án thuộcnhốm A, nhằm bước đầu nghiên cứu các luận cứ về kinh tế-kỹ thuật-xã hội-môitrường trong vùng có liên quan đến dự án để xem xét sơ bộ :

- Sự cần thiết phải đầu tư;

- Quy mô, tổng mức đầu tư;

- Sơ bộ xác định tính khả thi của dự án;

- Dự kiến hình thức đầu tư và biện pháp huy động vốn đầu tư

+ Quy hoạch hoặc phương hướng quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế-xã hộicủa vùng và lãnh thổ có liên quan đã được cấp có thẩm quyền phê duyệt;+ Quy hoạch hoặc phương hướng quy hoạch tổng thể phát triển ngành có liênquan được cấp có thẩm quyền phê duyệt, bao gồm các lĩnh vực liên quan sau

 Tài nguyên nước của khu vực;

 Tài nguyên đất;

- Gắn thủy lợi với giao thông, với xây dựng nông thôn và đô thị;

- Gắn tài nguyên nước với tài nguyên rừng, tài nguyên đất khoáng sản, khí hậu,nhu cầu và khả năng phát triển cây trồng và vật nuôi;

- Đáp ứng yêu cầu bền vững và mỹ quan;

- Bảo vệ môi trường sinh thái;

- áp dụng công nghê, kỹ thuật tiên tiến;

- Tuân thủ các tiêu chuẩn, quy phạm, các định mức kinh tế kỹ thuật;

- Sử dụng vốn đầu tư có hiệu quả nhất

1.2 Báo cáo nghiên cứ khả thi (BCNCKT)

1 Báo cáo nghiên cứu khả thi :

- Làm căn cứ cho việc ra quyết định tiến hành công tác chuẩn bị thực hiện đầu tư;

- Làm căn cứ pháp lý về kinh tế-kỹ thuật đối với việc lập Thiết kế kỹ thuật- tổng

dự toán hoặc Thiết kế kỹ thuật- thiết kế bản vẽ thi công;

- Làm cơ sở để lập hồ sơ mời thầu và dự thầu công tác Tư vấn thiết kế;

- Làm cơ sở để lập kế hoạch đấu thầu xây lắp

2 Khi lập BCNCKT cần phải nghiên cứu các luận cứ về kinh tế-kỹ thuật-xã hội-môitrường trong vùng có liên quan đến dự án, xem xét tính khả thi của dự án để làm cơ

sở cho việc lựa chọn và quyết định chủ trương đầu tư, thể hiện trên các mặt chủ yếusau đây :

- Sự cần thiết phải đầu tư;

3 Nội dung NCNCKT cần xem xét các vấn đề quan trọng và cần thiết về kinh tế-kỹthuật-xã hội cảu dự án trên cơ sở kế thừa và cụ thể hóa dự án quy hoạch hoặcBNNCTKT nếu có để đảm bảo dự án khả thi phù hợp và thống nhất với :

- Quy hoạch hoặc phương hướng quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế xã hội củavùng và lãnh thổ đã được cấp có thẩm quyền phê duyệt;

- Quy hoạch tổng thể hoặc phương hướng quy hoạch tổng thể phát triển ngành cóliên quan đã được cấp có thẩm quyền phê duyệt hoặc thông qua;

- Quy hoạch tài nguyên nước của khu vực;

- Tài nguyên đất;

- Luật tài nguyên nước, các Luật có liên quan; Các Pháp lệnh có liên quan;

- Các chủ trương, đường lối, chính sách, Nghị quyết… có liên quan của Đảng vàNhà nước;

- Các quy định, quy chuẩn, tiêu chuẩn, quy trình, quy phạm có liên quan

2 Giai đoạn lập thiết kế công trình thủy lợi

Trong giai đoạn này có thể làm theo hai giai đoạn sau :

2.1 Thiết kế kỹ thuật - tổng dự toán

- Trên cơ sở thiết kế sơ bộ đã được phê duyệt, cần bổ sung các tài liệu cơ bản, đề xuất

và tính toán các phương án để cụ thể và chi tiết hóa một bước các giải pháp côngtrình nhằm đáp ứng các yêu cầu sau : chọn tuyến công trình và phương án bố trítổng thể tối ưu các hạng mục công trình chính tại đầu mối, trên tuyến dẫn và cáccông trình khác

+ Chọn phương án tối ưu về chủng loại, số lượng và bố trí thiết bị

+ Chọn quy mô và các hình thức bố trí kết cấu công trình tối ưu cho các hạng mụccông trình chính thuộc đầu mối, tuyến đường dẫn, công trình phòng hộ và khu tái

- Tổng dự toán phải được lập trên cơ sở định mức, đơn giá, chế độ, chính sách hiệnhành liên quan đến chi phí đầu tư xây dựng và không được vượt tổng mức đầu tư đãghi trong Quyết định đầu tư.

Thiết kế bản vẽ thi công

- Thiết kế bản vẽ thi công cần phải nghiên cứu và tính oán để cụ thể và chi tiết cácgiải pháp các kỹ thuật và kết cấu công trình đã được phê duyệt trong giai đoạnThiết kế kỹ thuật-tổng dự toán, lập dự toán chế tạo, lắp đặt và xây dựng côngtrình

- Hồ sơ bản vẽ thi công là căn cứ pháp lý để :

+ Làm thủ tục xây dựng chế tạo và lắp đặt

+ Xây dựng, chế tạo và lắp đặt

+ Giám sát kiểm tra chất lượng xây dựng, chế tạo và lắp đặt

+ Nghiệm thu, thanh toán chi phí và bàn giao công trình

- Trong khuôn khổ các chủ trương về kỹ thuật và tổng dự toán đã dược phê duyệttrong Thiết kế kỹ thuật-tổng dự toán, cần kiểm tra, khảo sát và thu thập bổ sungcác tài liệu cần thiết và nghiên cứu tính toán nhằm đáp ứng yêu cầu sau :

+ Điều chỉnh (nếu cần thiết) tuyến, vị trí các hạng mục công trình;

+ Triển khai và chi tiết hóa các kết cấu công trình và các biện pháp sử lý nền;+ Chi tiết hóa các kết cấu kim loại, các sơ đồ bố trí và lắp đặt thiết bị;

+ Chỉ dẫn kỹ thuật thi công các hạng mục công trình quan trọng;

+ Lập bảng tiên lượng các hạng mục công trình xây dựng, các hạng mục côngtrình phục vụ thi công, các công trình tạm…

+ Xác định số lượng và quy cách các vật tư thiết bị

- Thiết kế bản vẽ thi công cần tuân thủ nội dung Thiết kế kỹ thuật-tổng dự toán đã

được phê duyệt, nếu điều chỉnh thay đổi cần được sự cho phép của cơ quan duyệtThiết kế kỹ thuật-tổng dự toán

- Dự toán phải được lập trên cơ sở các bản tiên lượng, các bản kê số lượng, quycách vật tư, thiết bị, biện pháp xây dựng, phù hợp với định mức, đơn giá, chế độ,chính sách hiện hành

Lưu ý : Đối với công trình được thiết kế một bước thì gộp hai gai đoạn Thiết kế kỹ

thuật-tổng dự toán và Thiết kế bản vẽ thi công thành một giai đoạn là Thiết kê kỹ thuật-thi công

Chương 2 Lực tác dụng lên công trình thuỷ lợi

1 phân loại và tổ hợp lực

Khi thiết kế các công trình thuỷ lợi - để đảm bảo an toàn và kinh tế chúng ta phải

xác định chính xác các lực tác dụng lên công trình, mặt khác cần phải lựa chọn đúng cáctrường hợp làm việc điển hình để chọn nhóm các lực đồng thời tác dụng lên công trìnhphù hợp với điều kiện làm việc thực tế của công trình Điều này đỏi hỏi người thiết kế phảinắm chắc kỹ thuật thiết kế, đồng thời phải có kinh nghiệm thực tiễn và nắm vững tình hình

đặc điểm của địa phương nơi xây dựng công trình

Trong phạm vi chương này ta chỉ nêu và giải quyết các lực phổ biến nhất đối với côngtrình thuỷ lợi, còn các lực riêng với mỗi loại công trình sẽ được tính đến trong các chươngtương ứng

I Phân loại lực

Để phục vụ cho việc lập các tổ hợp được sử dụng trong tính toán thiết kế công trình,người ta phân loại tải trọng theo thời gian và tính chất tác dụng Theo đó các tải trọng tácdụng lên công trình được phân thành tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời

1 Các tải trọng thường xuyên và tạm thời (dài hạn và ngắn hạn)

1 Trọng lượng của công trình và các thiết bị cố định đặt trên và trong công trình

2 áp lực nước tác dụng trực tiếp lên bề mặt công trình và nền; áp lực nước thấm (baogồm lực thấm và lực đẩy nổi thể tích ở phần công trình và nền bị bão hoà nước; áplực của nước lên mặt không thấm của công trình) ứng với mực nước lớn nhất khi xảy

ra lũ thiết kế trong điều kiện thiết bị lọc và tiêu nước làm việc bình thường Riêngcác hạng mục nằm trong tuyến chịu áp của hồ chứa, đập dâng còn cần phải tính thêmcác lực nêu trong mục này ứng với mực nước dâng bình thường

3 Trọng lượng đất và áp lực bên của nó; áp lực của nham thạch (gây ra cho các hầm lò,tuynen)

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

5 áp lực đất phát sinh do biến dạng nền và kết cấu công trình, do tải trọng bên ngoàikhác

6 áp lực bùn cát

7 Tác dụng của co ngót và từ biến

8 Tải trọng gây ra do áp lực dư của kẽ rỗng trong đất bão hoà nước khi chưa cố kếthoàn toàn ở mực nước dâng bình thường, trong điều kiện thiết bị lọc và tiêu nước làmviệc bình thường

9 Tác động nhiệt lên công trình và nền trong thời kỳ thi công và khai thác của năm cóbiên độ dao động nhiệt độ bình quân tháng của không khí là trung bình

10 Tải trọng do tàu thuyền và vật trôi (neo buộc, va đập)

13 Tải trọng gió.

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

15 Tải trọng động sinh ra trong đường dẫn có áp và không áp khi dẫn với mực nướcdâng bình thường

2 Các tải trọng tạm thời đặc biệt

1.Tải trọng do động đất hoặc nổ

2 áp lực nước tương ứng với mực nước khi xảy ra lũ kiểm tra

3 Tải trọng gây ra do áp lực dư của kẽ rỗng trong đất bão hoà nước khi chưa cố kếthoàn toàn ứng với mực nước kiểm tra lớn nhất trong điều kiện thiết bị lọc nước vàtiêu nước làm việc bình thường hoặc mực nước dâng bình thường nhưng thiết bị lọc

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

7 áp lực nước va khi đột ngột cắt toàn bộ phụ tải

8 Tải trọng động sinh ra trong đường dẫn có áp và không áp khi dẫn ở mực nước lớnnhất thiết kế

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

II Tổ hợp lực

Để có cơ sở khi lựa chọn các lực đồng thời tác dụng lên công trình, người ta phâncác lực tác dụng thành hai loại tổ hợp lực - đó là tổ hợp lực cơ bản và tổ hợp lực đặc biệt

1 Tổ hợp lực cơ bản

Bao gồm các tải trọng và tác động : thường xuyên, tạm thời dài hạn, tạm thời ngắn hạn

mà đối tượng đang thiết kế có thể tiếp nhận cùng một lúc

2 Tổ hợp lực đặc biệt

Vẫn bao gồm các tải trọng và tác động đã xét trong tổ hợp tải trọng cơ bản nhưng mộttrong chúng được thay thế bằng tải trọng (hoặc tác động) tạm thời đặc biệt Trường hợp tảitrọng cơ bản có xét thêm tải trọng động đất hoặc nổ cũng được xếp vào tổ hợp đặc biệt.Khi có luận chứng chắc chắn có thể lấy hai trong các tải trọng hoặc tác động tạm thời đặcbiệt để kiểm tra

2 Xác định trị số của lực tác dụng

I áp lực nước

1 áp lực thuỷ tĩnh

Phụ thuộc vào chiều cao cột nước, hình dạng công trình và trọng lượng riêng của

nước Trị số và áp lực nước tác dụng xác định theo các phương pháp đã trình bày trongthuỷ lực

W

W

W W

Wt Wđn 1

Q : lưu lượng phần dòng chảy tác dụng trực tiếp vào công trình (m3/s)

: khối lượng riêng của nước (kg/m3)

g: Gia tốc trọng trường (m/s2)

v : lưu tốc trung bình dòng chảy đến phia công trình (m/s)



Hình 2.1 Sơ đồ áp lực nước bùn cát và đẩy ngược W 1 , W 2 , W 3 ,

W 4 : áp lực nước tĩnh; W b : áp lực bùn cát; W đn : áp lực đẩy nổi, W t : áp lực thấm; G : trọng lượng bản thân

Lưu ý: Khi dòng chảy có lưu tốc lớn, chịu ảnh hưởng của hiện tượng sóng và các điều

kiện biên sẽ phát sinh mạch động lưu tốc Kết quả là gây ra một áp lực mạch động lêncông trình, lực này thay đổi theo thời gian và có thể xác định bằng công thứcgiải tích,công thức nửa thực nghiệm hay bằng thí nghiệm

- Tuỳ theo chiều sâu nước tại vùng gây ra sóng người ta chia ra 4 vùng :

1 Vùng nước sâu: Khi H >/2 Trong vùng này đáy hồ không ảnh hưởng đến hìnhdạng và kích thước của sóng

2 Vùng nước nông : Khi /2>H>Hpg (Hpg là độ sâu phân giới, sóng bắt đầu đổ,

có thể lấy gần đúng Hpg =(1,25-1,8)hi) Trong vùng này, càng gần bờ sóngcàng dốc về phía trước, và tới độ sâu nước Hpg sóng sẽ đổ xuống

3 Vùng sóng xô : khi H < Hpg  khu này sóng bắt đầu tan, các chất điểm nướcbắt đầu chuyển động tịnh tiến (không còn dao động sóng)

4 Khu tiếp bờ: Sóng bị phá hoại và leo lên bờ theo chu kỳ

- Đối với hồ chứa nướcthường ở vùng nước sâu Các thông số của sóng được xác địnhtheo phương pháp Crưlốp (thể hiện trong qui phạm hiện hành QP.TL.C1-78) như sau :Trị số của h và  xác định theo đường giới hạn bao trên dồ thị hình 2.3, theo đó tìm

hp= kp.h

Trong đó kptra trên đồ thị hình 2.4 theo xác suất p và thông sốgDw2 Xác định các thông số sóng ở các vùng khác, xem trong QPTL C1-78

Hình 2.5 Sơ đồ áp lực sóng lên công trình có mặt thượng thượng lưu thẳng đứng

hH1%chiều cao sóng ở độ sâu H>/2 với mức đảm bảo 1%

h1%chiều cao sóng với mức đảm bảo 1%

k1,k2 phụ thuộc độ nhám tương đối :/h1%và vật liệu gia cố mái đập (tra bảng 2.1)

k3phụ thuộc tốc độ gió và mái dốc (tra bảng 2.2)

k4 phụ thuộc tỷ số/h và hệ số mái nghiêng của công trình (tra theo đồ thị hình 7)

2 Chiều cao sóng leo với tần suất p% là hslp%được xác định bằng cách :

110,950,90

0,900,900,850,80

Hình 2.7

>0,20

0,800,750,70

0,700,600,50

- Biểu đồ phân bố áp suất sóng trên mái nghiêng được gia cố bằng các tấm bêtông có

độ dốc mái 1,5 m 5 được tính như hình 2.8, trong đó áp suất sóng lớn nhất p2 đượcxác định theo công thức:

p2= knoknb

2

p h T/m2Trong đó :

1 2 3

4 5

L2 L1

L4 L3

Bảng 2.4 : Hệ số k nb

Hình 2.8 Phân bố áp suất sóng lên mái nghiêng được gia cố bằng các tấm bêtông

- Tốc độ gió và áp suất gió có thể lấy theo các vùng theo bảng 2.6

Bảng 2.6 : áp suất gió tiêu chuẩn

1201008060

- Tổng áp lực gió tiêu chuẩn tác dụng lên công trình được tính:

Ptc= qtc.S

qtc- áp suất gió tính toán đã xác định

S - diện tích chắn gió của công trình (m2)

% 3

2 2

2 2

2

25 , 0 84 , 0 95 , 0

1 023 , 0 47 , 0

) ( 1 2 1 1

sli

h Z

h m

h B

m

m h

h A

B A m

m A Z

.

m

m L





IV áp lực bùn cát

Phía trước các công trình dâng nước được xây dựng ở các sông suối thường có bùncát lắng đọng, chiều sâu bùn cát xác định theo thuỷ văn dòng chảy và tuổi thọ côngtrình Nó tác dụng lên công trình với trị số áp suất phụ thuộc vào tính chất cơ lý củabùn cát và độ dày lắng đọng của bùn cát, và có thể xác định theo công thức sau :

b: hệ số áp lực bên của bùn cát, phụ thuộc vào mức độ di chuyển của côngtrình, được xác định như sau :

+ Khi công trình kết thúc chuyển vị thìb=0với0– hệ số áp lực bên củabùn cát ở trạng thái tĩnh Giá trị của nó có thể lấy như sau (theo SnitcoN.K, 1970) : Đối với đất cát rời (có hệ số rỗng =0,9) thì0=0,64; với cát

có độ chặt trung bình (=0,7) thì 0=0,52; cát chặt 0=0,49; đối với hạtsét0=0,71,0

+ Khi công trình chuyển vị (ra xa bàn cát) sẽ sinh ra áp lực đất chủ động,lúc đó :

2

Đối với bùn cát là hạt sét và các hạt bụi lắng đọng ở hồ chứa có độ sâu nước khálớn, thì 0, do đó b=1 không phụ thuộc vào sự dịch chuyển của nền côngtrình

Biểu đồ áp lực bùn cát có dạng tam giác Trị số áp lực ngang của bùn cát lấy theobiểu đồ áp lực bùn cát, còn thành phần thẳng đứng của áp lực bùn cát bằng trọng lượngcủa khối bùn cát trong môi trường nước

V Lực động đất

Khi động đất vỏ qủa đất bị dao động với chu kỳ T (T = 0,8 1,2s) và gia tốc 

phát sinh lực quán tính tác động lên công trình Hiện nay thường dùng phương pháptĩnh lực để xác định lực quán tính động đất

1 Lực quán tính động đất của công trình

- Trị số của lực quán tính động đất :

F =G

- H­íng F®ng­îc víi h­íng , mµ lµ bÍt kú nªn ta chôn F®theo h­íng bÍt lîi nhÍtcho c«ng tr×nh vÒ mƯt ưn ®Þnh vµ kÕt cÍu §iÓm ®Ưt cña cña lùc qu¸n tÝnh, ®­îc xemnh­ n»m ị trông t©m c«ng tr×nh.

2.Lùc qu¸n tÝnh ®ĩng ®Ít cña n­íc

- Víi hơ cê ®ĩ s©u H < 50 m, ¸p suÍt t¨ng thªm do ®ĩng ®Ít t¹i ®ĩ s©u y cê thÓ tÝnh:

p = 0,9.k. H1.y , biÓu diÔn bịi ®­íng 1 h×nh 2.9 b

Hay p = k  y , biÓu diÔn bịi ®­íng 2 h×nh 2.9 b

y : ®ĩ s©u tõ mƯt n­íc ®Õn ®iÓm tÝnh to¸n

- Tưng ¸p lùc n­íc t¨ng thªm

W®= 0,5 k  H12

1 2

Điểm tính toán

H×nh 2.9 : Lùc qu¸n tÝnh vµ ¸p lùc n­íc t¨ng thªm do ®ĩng ®Ít g©y ra

3 Lực quán tính động đất của đất

Khi có động đất, khối lượng đất cũng phát sinh lực quán tính tác dụng lên công trình

Đối với tường chắn thẳng đứng thì áp suất chủ động là P’cđ và áp suất bị động P’bđ

Chương 3 Thấm dưới đáy và thấm vòng quanh

công trình thuỷ lợi

1 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 haykhông đẳng hướng

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

- Trong lĩnh vực công trình thuỷ, dòng thấm có thể diễn ra dưới đáy, qua thân và đivòng 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 mặtthoáng (hình 3.1b)

Dòng thấm không áp : là dòng thấm có mặt thoáng, áp lực trên mặt thoáng bằng áplực 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 cảtrong 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 củamái 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 trahiện 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 trahiện 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 khảnăng 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)

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 điênthấm) – 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 nhưngphức tạp nên chỉ giải được các sơ đồ đơn giản Để khắc phục nhựoc điểm này, ngàynay với sự phát triển của mạnh mẽ của phương pháp tính và máy tính điện tử, ta cóthể giải chúng bằng các phương pháp số đó là phương pháp sai phân và phươngpháp phần tử hữu hạn ( phương pháp phần tử hữu hạn là ưu điểm hơn đối với bàitoán 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 chonhững sơ đồ thấm phức tạp trong thực tế Phương pháp này thiếu chính xác nhưngsai số là chấp nhận được trong tính toán thiết kế công trình thuỷ, do đó được ứngdụng 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 phápnày đơn giản nhưng kém chính xác vì lưới thấm phụ thuộc vào chủ quan của ngườivẽ

c Phương pháp thí nghiệm và thực nghiệm

Thông qua các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm kết hợp với quan trắc thực tế đểxác định các đặc trưng thuỷ lực của dòng thấm Phương pháp thí nghiệm và thựcnghiệm cho kết quả khá phù hợp với thực tế nhưng đòi hỏi các phương tiện thiết bịthí 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 chínhxác

- Thí nghiệm bằng khe hẹp : dùng dầu có độ nhớt khác nhau chuyển động trongkhe hẹp thay thế cho chuyển động của chất lỏng trong môi trường xốp Phươngpháp 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 phứctạp

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 củagiả thiết này là : hệ số thấm k bằng hằng số theo các hướng cho mọi điểm của miềnthấm

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

k3 k2 k1

k1 k2

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 thấmtrung 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.kitiTính theo hệ số thấm trung bình :

q = ktbJ.tivậy : J.kiti= ktbJ.ti  ktb =kiti

tiTrong 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 :

- 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 theophương đứng kđ = kmin Ta tiến hành biến nó thành đồng nhất đẳng hướng và giải bàitoán 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 :

+ Ta giãn mọi thành phần thẳng đứng của đất nền theo tỷ số a nhưng vẫn đảm bảo lưulượng 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 bảolưu lượng thấm theo phương ngang không đổi, ta giảm hệ số thấm theo phương ngangxuống a lần thành kn’ = kn

a =

kmax

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

ktb= kd’=kn’ hay a.kmin=kmax

a a= kmax

kmin

ktb= kmax.kmin+ Xác định các đặc trưng tương ứng với sơ đồ biến đổi q*, Jr*, Jv*,…

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

áp dụng phương trình liên tục

Hình 3.3

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

2 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 :

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 thấmhoặc 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 trongống 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

Hình 3.4 : Đường viền thấm dưới đáy công trình

hưởng đến kết quả tính toán Ví dụ thay chân khay bêtông mỏng bằng các hàng cừchống 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 đẳnghướng được đặc trưng bởi một hệ số thấm nhất định.

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 hạlưu 5-m1-n1-6 Nếu không có cừ thì ở đó có các bậc a(1-m) hay a3(n1-6)

i : 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 sứckháng càng lớn thf mức độ tiêu hao cột nước càng cao

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

số sức kháng của Trugaep

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

đường dòng li với diện tích mặt cắt ướt  i của dòng thấm trên đoạn đó.

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

i = vào+ ngang+giữa+ ’ngang+ ra

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 điềukiện :

T20,96Thì :

giữa = a1

T1 + 12(

S1

T2 -0,8) + 2,2Các 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-), mặt trướcbản cọc (-1) và mặt sau của bản cọc (1-4)

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

Khi bộ phận cửa vào giống hệt cửa ra thìv=r

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

v=r = 0,44Nếu cửa vào, cửa ra có bậc mà không có bản cọc thì (hình 3.6b) thì :

v=r =0,44 + Ta

0Nếu 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 l2giữa hai bản cọc S1và S2thoả mãn điềukiện : 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 Jkđể kiểm tra độ bền thấm ngẫu nhiên (bất thường) của nền thì

T = T

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

- Vị trí tầng không thấm tính toán khi xác định gradien thấm ra lớn nhất ở mặt đáy hạlưu 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 Ttt 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>Tthựcthì dùng Tthực để tính

nếu Ttt<Tthựcthì dùng Tttđể 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 áplực 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 thấtcột nước qua mỗi bộ phận của đường viền theo nguyên tắc :

1 2 3 4 5 6

7 8

9 10 11

12

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

Hình 3.7 : Biểu đồ áp lực thấm và Gradien thấm theo phương pháp Blai

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

Jra=(0.075d

0 +2.75l' ).hVới l’ 10d0Các đại lượng như ký hiệu ở hình vẽ 3.7cNhận xet : Phương pháp hệ số cản của Trugaev đơn giản, đạt mức chính xác yêu cầucủa kỹ thuật, không cần bảng biểu nên được ứng dụng rộng rãi

Có J hoàn toàn tính được v = k.J và q = k.J.T (T là chiều sâu tầng thấm)

Cột nước thấm tại một điểm cách mép hạ lưu một đoạn x là : hx= x.HL

Hình 3.7 Sơ đồ tính J ra

Nhận xét :

- Phương pháp này chưa phân biệt sự khác nhau về mặt tiêu hao cột nước trên đoạnnằm ngang và đoạn thẳng đứng nên mức độ chính xác không cao Người ta chỉ dùngphương pháp này với công trình nhỏ và sơ bộ xác định kích thước đối với công trìnhvừa hoặc lớn

- Phương pháp Blai chỉ thích hợp đối với công trình đáy phẳng, không có cừ, tầngthấm dày hữu hạn, lớp thấm càng mỏng thì độ chính xác càng cao Đối với các trườnghợp khác phương pháp này có sai số lớn từ 20%40% 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 chiềudài đường viền tính toán là :

Ltt=Lđ+Lmn

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 ngangKhi 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 bằngtay, sau đó căn cứ vào lưới thấm đã vẽ để xác định các đặc trưng cần thiết của dòngthấm

a Cơ sở để vẽ lưới thấm

Các đường thế và các đường dòng phải trực giao với nhau Các mắt lưới phải là cáchình 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 giáccủa các góc đó.

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

+ 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 đãchứng minh được rằng : với một sơ đồ đường viền cho trước chỉ có thể vẽ được mộtlưới 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 cáchmép 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 trưngdòng thấm tại các điểm trong vùng thấm

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

3 Biến dạng thấm dưới nền công trình và biện pháp

d10>1020 và hệ số thấmcủa đất xói ngầm nằm trong phạm vi kt> 0,020,025cm/s

- Tác hại của xói ngầm :

Nếu hiện tượng xói ngầm phát triển mạnh, lưu lượng thấm tăng lên, hình thành kẽrỗng 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 đãbiết trước của mặt cắt dọc của nền đang xem xét với các điều kiện tính toán đã biếttrước ở chỗ này Ví dụ : ở chỗ tiếp xúc của đáy hạ lưu và lọc ngược phủ lên nó; ở chỗtiếp 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 điểmcủa 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 bêntrong do không nắm được tính chất không đồng nhất của đất nền; lún của đất dưới đậptrong phạm vi các bộ phận nằm ngang của đường viền dưới đất trong khi bản thân đậpkhông bị lún

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

+ Kiểm tra độ bền thấm cục bộ và đưa ra biện pháp sử lý (nếu cần) ví dụ xây dựngtầng lọc ngược ở chỗ ra của dòng thấm…

1 Thiết kế chiều dài đường viền :

Đường viền thấm có chiều dài thực L, khi qui thành chiều dài tính toán Lttphải thoảmãn :

Građiên thấm toàn bộ được tính như sau :

- Trường hợp l>S (l: khoảng cách 2 hàng cừ, S chiều dài của bản cọc lớn nhất; nếu

có một hàng cừ thì l là chiều dài phần nằm ngang lớn hơn bên cạnh hàng cừ)

Gradiên kiểm tra được tính :

Jk=H =TH

tti

Giải thích :chính là chiều dài trung bình của dòng thấm, ở trên ta cói= li/i

Nếu coiicủa từng đoạn gần bằng=Tttthì ta có : =li = Ttti (=li [Ttt/])

Jktính theo hai trường hợp 1 &3 sau đó lấy giá trị lớn hơn

Sau khi xác định được Jk, nền đất ổn định nếu thoả mãn : Jk<[Jk]

[Jk] là građiên cho phép , phụ thuộc loại đất nền, sơ đồ đường viền và cấp côngtrình, lấy theo bản sau :

Bảng 3.2 : Độ dốc đo áp cho phép khi kiểm tra ổn định thấm chung của nền

1.000.540.380.32

1.040.570.390.33

1.090.590.410.35

Cát hạt nhỏ 0.23 0.24 0.25 0.26

Nhận xét :

- Khi thiết kế sơ bộ có thể dùng 3 phương pháp đầu (đơn giản)

- Khi thiết kế công trình lớn và đòi hỏi độ chính xác có thể sử dụng phương phápcủa Trugaev

ra khỏi một lớp đất hạt bé và tăng gia trọng để chống đùn đất

- Yêu cầu đối với tầng lọc ngược :

+ Tính thấm nước của tầng lọc cần lớn hơn tính thấm nước của đất cần được bảo vệ.+ Thành phần hạt của tầng lọc phải bảo đảm : không cho hạt đất của tầng cần đượcbảo vệ lọt vào tầng lọc và không cho hạt của tầng lọc lọt vaò vật thoát nước đồngthời phải bảo đảm tần lọc không bị bít chặt do các hạt bé từ tầng đất cần bảo vệchảy vào

+ Chiều dày của tầng lọc ngược phải đủ để hình thành một lớp lọc ngược và phùhợp với điều kiện thi công, khoảng từ 1015cm đến 2050cm và có thể lớn hơn.+ Việc thi công tầng lọc ngược phải bảo đảm tính đồng nhất trên toàn bộ mặt bằngcủa tầng lọc ngược

- Phân loại tầng lọc ngược :

Có 2 loại + Dòng thấm chảy ngang qua tầng lọc (hình 3.10a)

+ Dòng thấm chảy dọc theo tầng lọc (hình 3.10b)

- Nội dung thiết kế tầng lọc ngược : Tính chọn số lớp của tầng lọc, thành phần hạtcủa từng lớp và chiều dày của mổi lớp sao cho thoả mãn các yêu cầu nêu trên

Hình 3.10

(Hiện nay thường dùng phương pháp của Patơrasep và Istômina – tính toán chi tiếttham khảo Qui phạm thiết kế tầng lọc ngược)

II Đùn đất và biện pháp khắc phục

Một đơn vị thể tích đất trong miền thấm chịu tác dụng của một áp lực thuỷ động củadòng thấm : Wt=.J (t/m3) có phương tiếp tuyến với đường dòng

Giải thích : Lực tác dụng lên diện tích đất dx.dy trên chiều dài dl chính là tổn thấtcột nước dh khi đi từ mặt cắt đầu đến mặt cắt cuối: W=.dh.dx.dy, nếu lấy dx=dy=1,chiều dài khối đất là dl, lực thấm tác dụng lên 1 đơn vị thể tích đất là : Wt=.dh/dl =.JTại cửa ra ở hạ lưu công trình, lực thấm Wtcó hướng lên trên, gây nên sự đùn đất.(hình 3.11)

Khi bỏ qua lực ma sát và lực dính của đất, điều kiện cân bằng của một đơn vị thểtích đất dưới tác dụng của lực thấm và trọng lượng bản thân được viết :

.J = đn -> ở trạng thái giới hạn Jgh=đn/

Khi J của dòng thấm thực tế Jr>Jgh khối đất ở hạ lưu có thể bị đùn lên Để bảo đảm

an toàn không xảy ra hiện tượng đùn đất : Jr<Jm trong đó m là hệ số an toàn.gh

Với đất cát hoặc sét Jgh= 0,9-1,5

Trường hợp đáy đập có có chân khay ở hạ lưu, và có lớp gia tải, điều kiện để khôngsinh đùn đất là :

.hA<đn.S +2.t + C (*)

Trong đó : hAcột nước thấm tại điểm A đầu chân khay

t chiều dày của lớp gia tải (tầng lọc ngược hay sân sau)

2 dung trọng đẩy nổi của lớp gia tải

C lực dính đơn vị của đất nềnNếu bỏ qua lực dính C, từ (*) ta thấy rằng, để không xảy ra đùn đất, Jtbtrong vùng racủa dòng thấm phải thoả mãn :

+ Kéo dài chân khay hoặc bản cọc, tăng chiều dài đường viền thấm và do đó giảm

được Jtb

+ Tăng chiều dày lớp gia tải t

Chú ý : Ngoài hiện tượng đùn đất và xói ngầm nói trên, khi thiết kế công trình thuỷ lợi

còn xảy ra hiện tượng đùn đất tiếp xúc Đó là hiện tượng dòng thấm đẩy bong từngphần đất nền tại vị trí khe hở của lớp gia trọng Để ngăn ngừa hiện tượng này,cần hạnchế khe hở giữa các hòn của lớp gia trọng bằng cách đặt một lớp đệm trung gian bằngsỏi cuội hoặc dăm dạng tầng lọc ngược

III Các biện pháp phòng chống thấm nói chung đối với nền công trình thuỷ lợi

Qua các nghiên cứu nói trên ta thấy: khi thiết kế công trình thuỷ lợi, để giảm áp lực thấm, hạn chế lưu lượng thấm và ngăn ngừa hiện tượng xói ngầm, đùn đất có thể dùng các biện pháp sau :

- Bố trí tầng lọc ngược hợp lý (ngăn ngừa xói ngầm)

- Xây dựng chân khay và lớp gia tải (chống đùn đất và xói ngầm)

- Xây dựng sân trước : nhằm kéo dài đường viền thấm về phía thượng lưu để giảmlưu lượng thấm, giảm nhỏ áp lực thấm dưới đáy công trình, và giảm Jtb trong nền(hình )

- Xây dựng cừ chống thấm : tăng hiệu quả tổn thất cục bộ, giảm được áp lực thấm ,giảm được J và q

4 Thấm dưới công trình thuỷ lợi trên nền đá

I Đặc điểm thấm qua nền đá

Nền đá nói chung có độ rỗng nhỏ vì vậy có thể bỏ qua dòng thấm trong các lổ rỗngcủa đá

Người ta chỉ xét đến dòng thấm qua nền đá có các khe nứt phân bố trên toàn bộvùng nền Thực tế các khe nứt có hình dạng kích thước cực kỳ phức tạp và phân bốkhông đều nên dòng thấm qua nền đá không tuân theo định luật Đac-xi

Chỉ trong trường hợp nền đá bị nứt đồng đều, khe nứt nhỏ và phân bố trên một phạm

vi rộng lớn thì các tính chất của dòng thấm mới có thể xem như tương tự với nền đất

Hình 3.12 : Bố trí sân trước

và bản cừ chống thấm