TCVN: CÔNG TRÌNH THỦY LỢI - CỪ CHỐNG THẤM - YÊU CẦU THIẾT KẾ Hydraulic Construction - Impermeability Sheet Pile – Technicalrequirements for design

Cấu tạo của cừ dạng bản hoặc dạng khác có bố trí khớp nối âm dương để khi liên kết với nhau tạo thành tườngchống thấm đảm bảo kín nước theo yêu cầu thiết kế.. 4 Quy định chung Cừ chống

TCVN : 2017

CÔNG TRÌNH THỦY LỢI CỪ CHỐNG THẤM

Hydraulic Construction - Impermeability Sheet Pile – Technical

requirements for design

TCVN : 2017

Mục lục Lời nói đầu 2

1 Phạm vi áp dụng 3

2 Tài liệu viện dẫn 3

3 Thuật ngữ và định nghĩa 4

4 Quy định chung 4

5 Những yêu cầu kỹ thuật khi thiết kế 4

5.1 Yêu cầu chung 4

5.2 Lựa chọn vị trí tuyến cừ chống thấm 4

5.3 Lựa chọn hình thức, kết cấu cừ 6

5.4 Quy trình tính toán thấm dưới đáy công trình có cừ chống thấm 10

5.5 Quy trình tính toán kết cấu cừ chống thấm 13

5.6 Tính toán kết cấu cừ khi nâng, vận chuyển cừ 14

5.7 Yêu cầu thiết kế quan trắc 15

Phụ lục A 16

(Tham khảo) 21

Phụ lục C 31

(Tham khảo) 31

Phụ lục D 32

(Tham khảo) 32

Phụ lục E 36

(Tham khảo) 36

Phụ lục F 37

(Tham khảo) 37

1

TCVN : 2017

Lời nói đầu

TCVN : 2017 do Viện Thủy công - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam biên soạn, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố

TCVN : 2017

Công trình thủy lợi - Cừ chống thấm - Yêu cầu thiết kế

Hydraulics Structures – Impermeability sheet pile – Technical Requirements for design

1 Phạm vi áp dụng

1.1 Tiêu chuẩn này quy định yêu cầu kỹ thuật thiết kế cừ chống thấm cho công trình thủy lợi

trên nền không phải là đá;

1.2 Các công trình khác khi sử dụng cừ chống thấm có thể tham khảo tiêu chuẩn này.

2 Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này Đối với các tài liệu viện dẫnghi năm công bố thì áp dụng phiên bản được nêu Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi nămcông bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả sửa đổi, bổ sung (nếu có)

TCVN 4116 : 1985 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép thủy công – Tiêu chuẩn thiết kế; TCVN 4197 : 2012 Đất xây dựng - phương pháp xác định - giới hạn dẻo và giới hạn chảy trong phòng thí nghiệm

TCVN 4253 : 2012 Nền các công trình thủy công - Tiêu chuẩn thiết kế;

TCVN 8215 : 2009 Công trình thủy lợi - Các quy định chủ yếu về thiết kế bố trí thiết bị quan trắc cụm công trình đầu mối;

TCVN 9143 : 2012 Công trình thủy lợi - Tính toán đường viền thấm dưới đất của đập trên nền không phải là đá;

TCVN : 2017

3 Thuật ngữ và định nghĩa

3.1

Cừ chống thấm (Impermeability Sheet Pile)

Cừ chống thấm là kết cấu được đặt thẳng đứng trong nền và liên kết với kết cấu bản đáyhoặc tường bên công trình để kéo dài đường viền thấm cho công trình Cấu tạo của cừ dạng bản hoặc dạng khác có bố trí khớp nối âm dương để khi liên kết với nhau tạo thành tườngchống thấm đảm bảo kín nước theo yêu cầu thiết kế Vật liệu để chế tạo cừ có thể bằng thép,nhựa hoặc bê tông cốt thép

3.2

Khớp nối cừ ( Joint of Sheet Pile )

Là bộ phận nằm bên mép cừ có nhiệm vụ liên kết các đơn nguyên liền kề, đảm bảo kín nước

4 Quy định chung

Cừ chống thấm phải đảm bảo nhiệm vụ kín nước theo yêu cầu thiết kế, nhằm kéo dài đườngviền thấm theo phương đứng của công trình để thỏa mãn các yêu cầu chống thấm theo thiết

kế và có lợi về kinh tế so với việc tăng chiều dài đường viền thấm nằm ngang

5 Những yêu cầu kỹ thuật khi thiết kế

5.1 Yêu cầu chung

Cừ chống thấm cho công trình thủy lợi cần đảm bảo các yêu cầu sau:

a) Khả năng chống thấm cho công trình: Đường viền thấm đảm bảo độ bền thấm của nềncông trình, hạn chế lưu lượng thấm theo yêu cầu thiết kế, giảm gradient thấm, giảm áp lựcthấm đẩy ngược lên bản đáy công trình;

b) Khả năng chịu lực trong quá trình thi công: nâng, vận chuyển và hạ cừ vào nền;

c) Yêu cầu sử dụng: tuổi thọ công trình, chống ăn mòn;

d) Điều kiện địa chất nền để ứng dụng cừ chống thấm: nền không phải là đá, cuội, sỏi, đảmbảo hạ được cừ, không phát sinh các chướng ngại vật trong quá trình thi công hạ cừ;

e) Đảm bảo thi công hạ cừ không bị ảnh hưởng đến khu vực lân cận;

g) Vật liệu cừ phải chịu được các tác động bất lợi của môi trường làm việc: phèn, mặn, xâmthực;

5.2 Lựa chọn vị trí tuyến cừ chống thấm

5.2.1 Cừ dưới đáy công trình

Lựa chọn vị trí tuyến cừ chống thấm dưới đáy công trình theo các yêu cầu sau:

TCVN : 2017

5.2.1.1 Tuyến cừ chống thấm phải đảm bảo liên tục và liên kết với đáy công trình Vị trí bố trí

tuyến cừ cần căn cứ vào yêu cầu chống thấm và điều kiện địa chất đất nền

5.2.1.3 Trong trường hợp có yêu cầu đặc biệt, bố trí tuyến cừ chống thấm nối tiếp với công

trình đã có thì tuyến cừ chống thấm phải phù hợp hoặc liên kết với tuyến chống thấm hiện hữu

1 2

b) Mặt bằng tuyến cừ chống thấm1- Trụ pin 3- Cừ chống thấm đáy công trình 5- Cửa van

2- Thân công trình 4- Cừ chống thấm mang công trình 6- Cầu giao thông

Hình 1 - Bố trí cừ chống thấm đáy và mang công trình 5.2.2 Cừ bên mang công trình

Lựa chọn vị trí tuyến cừ chống thấm bên mang công trình theo các yêu cầu sau:

5.2.2.1 Tuyến cừ chống thấm phải đảm bảo liên tục, liên kết với công trình và với kết cấu nối

tiếp bờ

5.2.2.2 Phải nối tiếp với tuyến chống thấm dưới đáy và đảm bảo ổn định thấm vòng bên

mang công trình

5

TCVN : 2017

5.3 Lựa chọn hình thức, kết cấu cừ

5.3.1 Nguyên tắc chung

Khi lựa chọn hình thức, kết cấu cừ chống thấm cần xem xét tổng hợp các yếu tố như: quy

mô công trình, điều kiện địa chất nền, điều kiện chế tạo và cung cấp, đảm bảo chất lượng,

dễ dàng cho việc xếp dỡ, vận chuyển, thi công khớp nối thuận tiện, kín nước, vận chuyển,lắp đặt, liên kết, đảm bảo an toàn

5.3.2 Lựa chọn loại cừ

Cừ chống thấm không được sử dụng trong nền đá, cuội, sỏi Lựa chọn loại cừ chống thấmnhư bảng E.1, phụ lục E

Các chủng loại cọc cừ tương ứng nên sử dụng như sau:

- Cừ thép: Mặt cắt chữ SP, U, Z, AS, M, HM dạng tấm mỏng, mặt cắt ống tròn được chế tạobằng thép theo tiêu chuẩn có bố trí khớp nối liên kết;

- Cừ nhựa: Mặt cắt chữ U, Z được chế tạo bằng 02 loại vật liệu nhựa uPVC hoặc PVC có bốtrí khớp nối liên kết;

- Cừ bê tông cốt thép: Mặt cắt chữ nhật, chữ U được chế tạo bằng bê tông cốt thép, có bố tríkhớp nối thép liên kết

5.3.3 Các cấu tạo chi tiết cừ chống thấm

5.3.3.1 Kết cấu cừ thép

Cừ thép có kích thước mặt cắt tương đương nhưng tiêu chuẩn vật liệu chế tạo khác nhau.Đối với cừ thép cần có các phương pháp bảo vệ chống ăn mòn, như phụ lục C

a) Vật liệu chế tạo

- Cừ thép dạng chữ SP, U, Z, AS, M, HM có vật liệu bằng thép như Bảng 1, TCVN 9686 :

2013 Tính chất cơ học của vật liệu : giới hạn chảy hoặc giới hạn chảy quy ước, giới hạnbền kéo và độ giãn dài tương đối như bảng 4, TCVN 9686 : 2013

- Cừ thép mặt cắt ống tròn có vật liệu bằng thép như Bảng 1, TCVN 9246 : 2012 Tính chất

cơ học của vật liệu : giới hạn chảy hoặc giới hạn chảy quy ước, giới hạn bền kéo và độ giãndài tương đối như bảng 3, TCVN 9246 : 2012

TCVN : 2017

b) Cừ thép dạng SP: Chiều dài thông thường được sản xuất từ 6,0m đến 12,0m Trườnghợp có yêu cầu khác thì đặt hàng nhà máy để tăng hoặc giảm chiều dài Chi tiết liên kếtkhớp nối cừ xem A.1 phụ lục A Chi tiết đặc trưng mặt cắt của cừ ván thép dạng SP, nhưmục B.1 phụ lục B

e) Cừ thép dạng AS: Mặt cắt điển hình như hình 5

Chi tiết liên kết khớp nối cừ xem A.1 phụ lục A Chi tiết đặc trưng mặt cắt của cừ thép dạng

AS xem B.1 phụ lục B

7

cừ này Chi tiết liên kết khớp nối cừ xem A.1 phụ lục A Chi tiết đặc trưng mặt cắt của cừthép dạng HM xem B.1 phụ lục B

1

B1) Cừ thép kiểu chữ M

Hình 7 - Cừ thép dạng HM

g) Cừ ống thép: Được chế tạo theo công nghệ hàn xoắn với đường kính từ 600mm 3000mm, chiều dài phụ thuộc vào khả năng vận chuyển và công nghệ hạ cọc ván Mặt cắtđiển hình như hình 8 Chi tiết kết cấu xem xem B.1 phụ lục B

-:-33

a) Vật liệu chế tạo

- Cừ nhựa được chế tạo bằng nhựa uPVC hoặc nhựa PVC

b) Đặc điểm chế tạo

- Độ cứng của cừ nhựa nhỏ hơn so với các loại vật liệu khác như thép hay bê tông

- Khớp nối cừ dạng âm dương, không sử dụng dạng khớp nối bẻ móc nối như cừ thép thôngthường

c) Đặc trưng kỹ thuật của các dạng cừ nhựa

Cừ nhựa được chế tạo theo hình dạng phù hợp với mục đích sử dụng và khuôn mẫu đượcthiết kế Các loại cừ nhựa được sản xuất có các dạng điển hình như sau:

- Dạng 1: Cừ bản nhựa mã hiệu CNS Hình dạng mặt cắt như hình 9 và đặc tính kỹ thuật

Hình 10 -Hình dạng cừ nhựa theo mã hiệu CBN 5.3.3.3 Kết cấu cừ bê tông cốt thép

a) Vật liệu chế tạo

Cừ được chế tạo bằng bê tông cốt thép Cốt thép thường nhóm từ AI (CI) đến AIII (CIII).

Cường độ chịu nén của bê tông tuổi 28 ngày thường từ 30 MPa đến 40 MPa;

9

TCVN : 2017

b) Chi tiết kết cấu

Cừ bê tông cốt thép có khớp nối bằng thép, dạng khớp âm dương mức độ khe hở của

khớp nối đảm bảo điều kiện kín nước hoặc được điền đầy bằng vật liệu trương nở khác đểkín nước hoàn toàn Hình dạng cừ như hình 11 và hình 12

1 Cừ bê tông cốt thép 3 Khớp nối âm

2 Khớp nối dương 4 Thanh thép không gỉ liên kết

Hình 11 - Cắt ngang cừ bê tông cốt thép

5.4.1 Yêu cầu số liệu để tính toán

- Mặt bằng công trình, mặt cắt dọc dòng chảy (cừ dưới đáy công trình), mặt bên công

trình (cừ bên mang);

- Các chỉ tiêu cơ lý của đất nền;

- Tổ hợp mực nước và chênh lệch mực nước thượng hạ lưu

5.4.2 Tính toán thấm dưới đáy công trình

5.4.2.1 Mục đích tính toán

Tính toán thấm để lựa chọn chiều dài cừ nhằm đảm bảo độ bền thấm, hạn chế lưu lượngthấm và giảm áp lực đảy ngược lên đáy công trình

TCVN : 2017

5.4.2.2 Trường hợp tính toán

Tính toán thấm cho công trình trong trường hợp làm việc: giữ nước hoặc ngăn nước hoặc

cả hai theo nhiệm vụ công trình đề ra Với mỗi sơ đồ tính toán, cần chọn tổ hợp có chênhlệch mực nước thượng lưu và hạ lưu (cột nước thấm) lớn nhất để tính toán

5.4.2.3 Nội dung tính toán

Nội dung tính toán thấm gồm:

- Xác định gradien thấm để kiểm tra điều kiện ổn định thấm;

- Xác định lưu lượng thấm và kiểm tra lưu lượng thấm qua công trình đảm bảo trongphạm vi cho phép theo yêu cầu của thiết kế;

- Xác định áp lực thấm lên bản đáy công trình để phục vụ tính toán kiểm tra ổn địnhcông trình

5.4.2.4 Phương pháp tính toán

Với nền đồng chất, đẳng hướng tính toán theo quy định tại phụ lục F, TCVN 9143 : 2012;Trong trường hợp nền không đồng nhất được tạo thành bởi các lớp đất nằm ngang có hệ sốthấm khác nhau thìtính toán theo quy định tại phụ lục D, TCVN 9143 : 2012;

Trong các điều kiện địa chất phức tạp, bố trí tuyến cừ theo không gian (không nằm trên cùngđường thẳng), cần tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn

5.4.2.5 Điều kiện chống thấm

a) Nền công trình đảm bảo ổn định thấm chung:

Trị số gradient thấm cho phép (Jk)cp dùng để kiểm tra độ bền của nền công trình, phải xác

định phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 9143:2012, theo công thức:

Bảng 2 – Gradien thấm cho phép khi kiểm tra ổn định thấm của đất nền (J k ) cp

Tên đất ở lớp nằm phía trên của nền Cấp công trình

- Sự trồi đất cục bộ do thấm ở hạ lưu ngay phía sau hàng cừ hạ lưu;

- Sự xói ngầm ra ngoài ở mặt đáy hạ lưu bên trên có phủ tầng lọc ngược;

- Sự xói ngầm bên trong (xói ngầm) có thể xảy ra trên các mặt tiếp giáp của đất to hạt vàđất nhỏ hạt ở nền (ở các chỗ này, đất nhỏ hạt có thể bị dòng nước thấm cuốn vào các lỗhổng của đất to hạt và do đó có thể xảy ra sự lún bất lợi của đất nằm trên)

Việc kiểm tra này phải tiến hành trong trường hợp nền không đồng nhất, ở các chỗ có thểxảy ra sự cuốn đất hạt nhỏ vào các lỗ hổng của đất hạt to ở nền, theo phụ lục H, TCVN 9143: 2012

Khi xét đến các chỗ nguy hiểm của nền, phải đảm bảo điều kiện sau:

Trong đó:

Jb - độ dốc đo áp thực ở chỗ tiếp giáp giữa đất hạt nhỏ và đất hạt to;

(Jb)cp - trị số độ dốc đo áp cho phép ở chỗ tiếp giáp nêu trên

Trị số Jb phải được xác định trên cơ sở tính toán thấm của sơ đồ đường viền dưới đấtđang xét (Điều 7.5 TCVN 9143:2012)

c) Kiểm tra lưu lượng thấm

Việc xác định trị số lưu lượng thấm ứng với đường viền dưới đất (cừ chống thấm) đã chọnnhằm kiểm tra lượng mất nước qua công trình để khống chế trong phạm vi cho phép theo

TCVN : 2017

yêu cầu thiết kế công trình chính Trường hợp lượng mất nước lớn cần tăng chiều dài cừ đểgiảm lưu lượng thấm qua công trình Kiểm tra lưu lượng thấm rò rỉ qua khớp nối cừ theođiều kiện sau:

Trong đó:

Qkn - lưu lượng thấm đo được ứng với chênh lệch cột nước hai bên cừ;

[Q]cp - lưu lượng thấm cho phép, tính theo công thức sau:

[Q]cp= .p(z)/ (4)Trong đó:

 - hệ số thấm rò rỉ qua khớp nối cừ, m/s, theo bảng F.1, phụ lục F;

 - trọng lượng riêng của nước, kN/m3;

p(z) – chênh lệch cột nước hai bên cừ trong điều kiện thử, kN/m3;

Trường hợp lưu lượng thấm rò rỉ qua khớp nối lớn hơn lưu lượng thấm cho phép, phảidùng vật liệu trương nở lấp chèn khớp nối như bảng F.2, phụ lục F

5.4.3 Tính toán thấm vòng qua mang công trình

5.4.3.1 Tính toán chiều dài cừ chống thấm cho mang công trình để đảm bảo ổn định thấm,

hạn chế lưu lượng thấm và đề phòng biến dạng thấm của đất bên mang công trình

5.4.3.2 Kết cấu và chiều dài chống thấm mang công trình phải đảm bảo khả năng chống

thấm theo 5.4.2.5 và hợp lý về kinh tế

5.4.3.3 Chiều dài đường viền thấm mang công trình được xác định dựa vào cột nước thấm

và loại đất đắp mang công trình Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để để kiểm tra lạichiều dài đường viền thấm

5.5 Quy trình tính toán kết cấu cừ chống thấm

5.5.1 Tải trọng, tác động và tổ hợp các tải trọng lên công trình

5.5.1.1 Căn cứ mục tiêu, nhiệm vụ của công trình, cừ chống thấm có thể được thiết kế để

chịu lực một chiều (ngăn nước hoặc giữ nước) hay chịu lực cả hai chiều (ngăn nước và giữnước)

5.5.1.2 Các tải trọng tác dụng lên công trình bao gồm các tải trọng thường xuyên, tải trọng

tạm thời và tải trọng đặc biệt

5.5.2 Phương pháp tính toán

Cừ chống thấm làm việc đồng thời cùng với kết cấu công trình nên với cừ dưới đáy côngtrình tính toán nội lực theo bài toán toán phẳng, với cừ bên mang nên sử dụng mô hình

13

Khi tính toán kết cấu cừ chống thấm phải tính cho các trường hợp sau :

a) Trường hợp chịu chênh lệch áp lực nước thượng hạ lưu lớn nhất

b) Trường hợp thi công nâng, vận chuyển cừ và hạ cừ vào nền

5.5.4 Kiểm tra kết cấu

Tính toán nội lực cừ chống thấm trên nền mềm sử dụng mô hình kết cấu trên nền đàn hồi

- Kiểm tra kết cấu với cừ thép, cừ nhựa: cừ đảm bảo khả năng chịu lực, chuyển vị trongphạm vị cho phép

- Kiểm tra kết cấu cừ bê tông cốt thép: Khả năng chịu lực theo cường độ, tính toán bố tríthép, kiểm tra độ mở rộng vết nứt theo TCVN 4116 : 1985

5.6 Tính toán kết cấu cừ khi nâng, vận chuyển cừ

Quan trắc lưu lượng nước thấm, rò rỉ qua tuyến cừ, thấm qua nền và mang công trình;

Quan trắc áp lực thấm dưới nền công trình để kiểm tra hiệu quả giảm áp lực thấm

5.7.2 Nội dung quan trắc

Cừ chống thấm cần bố trí thiết bị quan trắc tuân theo TCVN 8215 : 2009;

Những nội dung cần quan trắc bao gồm: chuyển vị, lưu lượng thấm và áp lực thấm đẩyngược lên đáy công trình theo yêu cầu thiết kế quan trắc của công trình chính

a) Nội dung quan tắc chuyển vị

- Quan trắc lún;

- Quan trắc chuyển vị ngang, nghiêng, lệch của tuyến cừ chống thấm;

b) Nội dung quan trắc lưu lượng thấm

- Quan trắc hiện tượng rò rỉ tại khớp nối trên toàn tuyến cừ chống thấm

- Quan trắc hiện tượng rò rỉ do thấm qua nền, qua mang công trình

c) Nội dung quan trắc áp lực thấm đẩy ngược lên đáy công trình

- Trường hợp bình thường, mỗi tuyến quan trắc bố trí tối thiểu hai ống đo áp, trong đó cómột ống ở phía trước hàng cừ, một ống ở phía sau hàng cừ

- Trường hợp có yêu cầu riêng về kiểm soát độ bền thấm tại các khu vực đặc biệt (đầu cọc

cừ, cửa thoát ra của đường thấm) thì cần tăng thêm ống đo áp ở các khu vực này

15

1 khớp nối hàn thêm tại vị trí thanh nối cừ 2 cừ thép

4 Hµn nèi

1 Cäc èng thÐp

2 Khíp nèi ch÷ P

2 Tai nèi ch÷ T2

4 Hµn nèi

1 Cäc èng thÐp

3 Tai nèi thÐp gãc

3 Tai nèi ch÷ T3

Hình A.7 Dạng tai nối và liên kết tai nối cọc ống thép

Chi tiết liên kết cừ thép với đáy công trình như hình A.8

51

2

43

6

1) Cừ thép 2) Đáy công trình 3) Thép đai liên kết đầu cừ

4) Thép chống bản đáy 5) Thép ngang đáy công trình 6) Thép dọc đáy công trình

Hình A.8 Liên kết cừ thép với đáy công trình A.3 Cừ nhựa